Aquí hay un vistazo al futuro cercano de la tecnología de baterías

Cuando el coronel Brent Wilson se convirtió en comandante de la base en Camp Smith de Oahu, ya había estado desplegado en las guerras del Golfo y de Irak y había dirigido numerosas operaciones de defensa en Kosovo. Pero el enemigo al que se enfrentó en la base hawaiana era diferente de cualquiera que hubiera visto en el campo de batalla como piloto de helicóptero del Cuerpo de Marines. Tuvo que lidiar con una infraestructura energética envejecida y pisoteada regularmente por el clima tropical.

"Toda la red eléctrica se caía de forma rutinaria y nos dejaba sin trabajo", explica Wilson, que en aquel momento también formaba parte del equipo responsable de las operaciones de defensa en todo el Pacífico. "Realmente no puedes tener eso".

Pero la batalla contra las malas infraestructuras también tuvo un aliado infrautilizado: la luz solar. Wilson inició una campaña para instalar

paneles solares y baterías industriales que podrían mantener en línea las partes vitales de la operación cuando azoten tormentas. Esa experiencia finalmente lo ayudó a emprender una segunda carrera: vender baterías lo suficientemente grandes como para alimentar su hogar sin conexión a la red.

El auge de las baterías

El mercado de baterías se ha disparado en las últimas décadas y se espera que aumente otro 12% en los próximos cinco años, según Inteligencia de Mordor. En 2025, será un mercado de 90 mil millones de dólares. Durante la última década, empresas como Tesla, Dyson y Daimler han realizado inversiones de miles de millones de dólares en la industria, ya sea adquiriendo empresas más pequeñas o construyendo nuevas fábricas. Si esa escena clásica de El graduado Si se filmaran hoy, el consejo profesional de una sola palabra que se le dio al personaje de Dustin Hoffman no sería "plásticos", sino "baterías".

¿Qué impulsará todo ese crecimiento? El precio de las baterías de iones de litio disminuye, los dispositivos electrónicos personales y los automóviles eléctricos los atraviesan. y, entre otros factores, más propietarios de viviendas y compañías eléctricas buscan almacenar energía solar y eólica. energía.

Junto con ese crecimiento viene una gran cantidad de desperdicio. Desafortunadamente, la mayoría de las baterías terminan en los vertederos. Las tasas de reciclaje de las celdas de iones de litio son horrendas: Acerca de 5% para Estados Unidos y la Unión Europea. Los investigadores están encontrando formas de hacer que las baterías de iones de litio sean más reciclables, pero incluso si eso sucede, todavía necesitamos cambiar los hábitos de las personas y corporaciones que no reciclan baterías en absoluto y las desechan tirándolas a la basura. basura.

Además, algunos expertos dicen que hay una cantidad limitada de litio disponible, aunque aún se debate hasta qué punto es limitada. Su extracción y la del cobalto (que se utiliza habitualmente para el electrodo positivo de una batería de iones de litio) supone un alto coste medioambiental y económico. costo humano. Además, el precio del cobalto ha aumentado notablemente en los últimos años.

Todo esto plantea la pregunta: ¿Existen baterías más baratas y más respetuosas con el medio ambiente? ¿Podríamos estar usando algo mejor? ¿Qué depara el futuro?

Mucha gente está investigando el posibilidades. Desde la década de 1990, más de 300.000 patentes relacionadas con baterías se han presentado (más de 30.000 sólo en 2017). Si bien un gran porcentaje de estos inventos están relacionados con la tecnología de iones de litio, se está trabajando mucho en electrolitos de estado sólido, ánodos a base de silicio, litio-aire, grafeno y otras opciones, algunas de las cuales son ecológicas y otras que no son mejores desde el punto de vista ambiental que los iones de litio, pero posiblemente más eficiente.

Si bien la mayoría de estos nuevos tipos de baterías probablemente no se comercializarán tan ampliamente como las de iones de litio (al menos en las próximas dos décadas), pueden servir a nichos de mercado realmente grandes. Estos son algunos de los más populares.

Fosfato de hierro y litio

Poco después el coronel Wilson se retiró del ejército, los ejecutivos de una empresa de paneles solares le pidieron que aprovechara sus años de adquisición de almacenamiento de energía. conocimiento (el ejército es uno de los mayores usuarios de baterías del mundo), haga un viaje al CES en Las Vegas y examine la cosecha actual de hogares baterías. Después del viaje, creó una hoja de cálculo gigante para explicar por qué no estaba satisfecho con las opciones que vio. Las mejores baterías eran demasiado caras para el propietario promedio ($30,000 más) o no tenían suficiente energía. Luego trabajó con neovolta para crear una línea de baterías, que normalmente cuestan dos dígitos muy bajos.

Los expertos en química con mentalidad ambiental le dirán rápidamente que fosfato de hierro y litio El almacenamiento de energía es solo otro tipo de batería de iones de litio, aunque tiene algunas ventajas notables: es más barata, tiene Energía más densa, vida más larga y no se incendia si el interior se rompe (lo que puede suceder con los de iones de litio). baterías). ¿Las desventajas? Es extremadamente pesado (por eso es mejor si lo guardas en tu porche trasero y no en tu teléfono), el estuche todavía tiene litio y la ruta de reciclaje no está clara.

Como tal, pocos han adoptado baterías de litio, hierro y fosfato, lo que dificulta saber qué tan buena es su tasa de reciclaje. Algunos investigadores sostienen que son más fáciles de dividir en sus componentes.

Litio-azufre

Algunos expertos apuestan por el almacenamiento de energía de litio-azufre para sustituir a las de iones de litio, ya que las baterías tienden a ser más ligeras y con mayor densidad energética. El azufre también es abundante y más barato.

¿Cuál es la diferencia entre el funcionamiento de las baterías de iones de litio y las de litio-azufre? Profesora Linda Nazar, cuyo laboratorio en la Universidad de Waterloo en Canadá ha estado estudiando baterías de litio-azufre durante los últimos 10 años, utiliza la analogía de un estacionamiento para describir las diferencias. Mientras que cargar y descargar una batería de iones de litio es como entrar y salir de un aparcamiento, el La batería de litio-azufre está “casi derribando toda la estructura del estacionamiento y luego reconstruyéndola cuando se recarga”. la célula."

La reacción química es similar a lo que sucede en una batería de plomo-ácido donde hay una transformación estructural y química completa. Estas baterías de “conversión” tienen sus propias ventajas y desafíos. "Tienen la ventaja de poder almacenar más electrones", afirma Nazar. Por otro lado, el azufre tiene una conductividad relativamente baja y el volumen de las baterías cambia después de la descarga. El equipo del laboratorio de la Universidad de Waterloo está ajustando los componentes de la batería para aumentar el ciclo de vida y optimizar las reacciones de la batería. Si se resuelven algunos de los desafíos de la batería, Nazar prevé que se utilizarán tanto en la aviación como en los drones. El aviones céfiro y los vehículos aéreos no tripulados, que han realizado algunos de los vuelos largos con propulsión eléctrica, a menudo dependen de baterías de litio-azufre.

ion sodio

Resulta que el elemento de la tabla periódica que es tan malo para el corazón es bastante bueno para las baterías. La investigación sobre baterías de iones de sodio comenzó en la década de 1970, casi al mismo tiempo que el almacenamiento de energía de iones de litio. Los dos elementos son vecinos en la tabla periódica. Luego, los iones de litio despegaron y los iones de sodio se consideraron un recurso menos energético durante las siguientes tres décadas.

"Parece lo mejor que existe", afirma Nazar, cuyo laboratorio también trabaja con almacenamiento de energía a base de sodio. “Las baterías de iones de sodio brindan la posibilidad de trabajar con elementos abundantes en la Tierra (electrodos positivos hechos de hierro, manganeso y titanio), elementos que tienen un costo mucho menor. Pero lograr que esa química funcione bien es un desafío porque simplemente no es lo mismo que el litio”.

Nazar señala que algunas empresas no creen que valga la pena invertir en baterías de iones de sodio porque el costo de las baterías de iones de litio baja todo el tiempo.

"Creo que probablemente valga la pena invertir muchos recursos en baterías de iones de sodio", afirma. "Si llega un momento decisivo en el que las baterías de iones de sodio funcionen realmente bien, con alta densidad de energía, sería un gran paso adelante".

Azúcar

Lo creas o no, puedes hacer funcionar una batería con azúcar como un niño pequeño salta sobre pasteles. Sony publicó por primera vez una investigación sobre la reacción en la que se oxida la maltodextrina para crear energía en 2007. Aunque la disponibilidad de material y el respeto al medio ambiente de las baterías de azúcar es mucho mayor que la de las de iones de litio, el voltaje creado por su reacción química es notablemente menor. Por lo tanto, probablemente querrás dejar de alimentar a tu Tesla con una caja de Crunchberries.

Aunque el concepto original apareció por primera vez en 2007, el bateria de azucar Al concepto todavía le queda algo de jugo. En 2016, un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts dirigido por el profesor Michael Strano creó un dispositivo llamado Thermopower Wave, que es mucho más eficiente que las encarnaciones anteriores de baterías de azúcar y puede alimentar un LED comercial luz. Este es un avance interesante porque el azúcar es muy abundante, por lo que si podemos encontrar una forma viable de producir estas baterías, presumiblemente podríamos ampliar esa tecnología rápidamente. Desafortunadamente, es probable que falten varios años para la disponibilidad comercial.

Fluir

Una batería de flujo está estructurada de manera diferente a la mayoría de las demás: en lugar de empaquetar un montón de materiales reactivos juntos en una unidad (como lo hacen las baterías normales), las baterías de flujo almacenan líquidos reactivos en contenedores separados y luego los bombean al sistema para crear energía. También son enormes y están diseñados para el almacenamiento de energía de la red, no para dispositivos electrónicos y cosas que caben cómodamente en la palma de la mano.

El original batería de flujo supuestamente pesaba 1.000 libras y fue inventado a finales del siglo XIX para impulsar el inteligente bautizó al dirigible francés “La France”. El interés en el almacenamiento de energía modular ha aumentado y disminuido desde entonces.

“Creo que lo que realmente está impulsando la explosión y el interés en las baterías de flujo no es tanto la fabricación de la próxima generación de baterías para teléfonos o computadoras, pero almacenamiento de energía a mediana y gran escala”, explica Timothy Cook, profesor de química en la Universidad de Búfalo. Entonces, a menos que esté construyendo un teléfono celular steampunk, es poco probable que lleve consigo baterías de flujo activadas con bombas microscópicas. Sin embargo, a medida que más hogares instalen energía solar, crecerá el mercado de almacenamiento de “energía personalizada”.

Si bien hacer que las baterías de iones de litio sean más potentes significa aumentar el tamaño de la batería, el diseño de las baterías de flujo permite aumentar la energía aumentando el tamaño del líquido embalses. San Diego Power and Electric instaló recientemente uno que puede alimentar 1.000 viviendas.

“No es necesario cambiar ninguna de las dimensiones de la membrana [donde ocurre la reacción química], solo hay que cambiarla. hacer fluir un mayor volumen de líquido a través de él durante más tiempo y se puede extraer esa energía”, explica Cocinar. "Por lo tanto, es mucho más fácil ampliar o reducir la escala o, básicamente, puedes personalizarlo según la instalación".

Las baterías de flujo también tienen muchos más ciclos de carga que la mayoría de las baterías. La capacidad de reemplazar los líquidos o reemplazar otras piezas modulares significa que la vida potencial de una batería es casi indefinida.

Aunque actualmente las empresas venden baterías de flujo de tamaño industrial, el profesor Cook no espera una aceptación generalizada hasta dentro de cinco a diez años. Incluso imagina un día en el que los coches eléctricos puedan utilizar esta tecnología. Cook describe un automóvil que se detiene en una “estación de servicio”, descarga el electrolito gastado y luego lo recarga con uno recién cargado. En lugar de esperar media hora para que el coche se reinicie, las ruedas pueden volver a girar en cuestión de minutos. Pero, por supuesto, ese futuro está muy por llegar.

Papel

Fabricar una batería con papel tiene muchas ventajas: es delgada, flexible y, si se fabrica con los materiales adecuados, biodegradable. Un equipo de la Universidad de Stanford desarrolló las primeras baterías de papel recubriendo láminas delgadas con una tinta saturada de carbón y plata. Más recientemente, los ecologistas se han entusiasmado con las baterías que se están desarrollando en la Universidad de Binghamton. El profesor Seokheun “Sean” Choi ha hecho algunas encarnaciones diferentes, incluida una impulsada por saliva (o más científicamente, saliva humana) y otra impulsada por bacterias. Una encarnación reciente de la biobatería desarrollada por Choi y el profesor Omowunmi Sadik utiliza poli ácido (ámico) y poli (dianhídrido piromelítico-p-fenilendiamina) para fabricar las fuentes de energía biodegradable.

"Nuestra batería de papel híbrida exhibió una relación energía-costo mucho mayor que todas las baterías microbianas de papel reportadas anteriormente", dijo Choi cuando la innovación fue anunciado. Aunque el uso comercial de estas baterías de papel ecológicas ha sido limitado debido a su baja producción eléctrica (se puede encender una luz LED durante aproximadamente 20 minutos), los investigadores esperan verlos utilizados en electrónica, dispositivos inalámbricos, aplicaciones médicas como marcapasos, aviones y automóviles. Choi ha escrito un artículo sobre su utilización como fuentes de energía de un solo uso para herramientas de diagnóstico en el lugar de atención en países en desarrollo donde las baterías pueden no estar disponibles.

Aire

El aire puede ser realmente eléctrico, y no sólo en ese momento en el que te levantas el cuello después de que una melodía de Phil Collins suena en los parlantes de tu Ferrari. Baterías de zinc-aire, que tienen aproximadamente el tamaño de caramelos Smarties y funcionan gracias a la reacción entre el oxígeno y el zinc, se han utilizado en audífonos durante muchos años. El zinc también es barato y abundante, lo que hace que la tecnología sea económica y ecológica.

Pero existen limitaciones al intentar hacer esta tecnología. recargable. Se pueden formar cristales de dendrita durante la carga y provocar un cortocircuito en la batería. Se han probado formas de reemplazar el zinc, como “recargar mecánicamente” la batería reemplazando físicamente los materiales, un enfoque que se ha probado en los autobuses eléctricos de Singapur. Se han intentado muchos otros experimentos con baterías de litio-aire y metal-aire con distintos grados de densidad de energía, nivel de potencia y costo. Durante la última década, Tesla ha presentado varias patentes relacionadas con la carga. baterías de litio-aire, por lo que su potencial puede existir mucho más allá de sus audífonos.

Hierro

Hace unos años, Peter Allen, profesor de química de la Universidad de Idaho, comenzó a expresar su fascinación por la ciencia de las baterías en YouTube. Casi de inmediato descubrió que los espectadores realmente respondían al material de la batería, lo que lo inspiró a construir una batería de hierro recargable como demostración educativa. Ese proyecto ha dado lugar a más de 100 vídeos de demostración que explican los pasos, problemas y aprendizajes de un proyecto de batería educativa.

“No quiero presentarme como un experto en baterías per se”, reconoce el profesor, cuyo área de especialización es la química biológica. Al hacer los vídeos de YouTube, se dio cuenta de que había mucho que enseñar y aprender construyendo una batería relativamente barata que pudiera hacer usted mismo.

“Partes de la tecnología de las baterías de hierro existen desde hace 100 años, por lo que creo que muchas personas que podrían llegar a esto con muchos conocimientos extranjeros simplemente dirían: 'Bueno, eso es terreno trillado, no hay nada que encontrar allí'”, dice. "Pero siendo un poco ingenuo, entré y dije: 'Bueno, intentémoslo, puedes encontrar algo interesante de todos modos'".

Después de dos años, más de 30 variaciones de baterías y mucha ayuda de estudiantes universitarios, Allen ha Aprendí a equilibrar los materiales líquidos y sólidos para crear una cantidad óptima de densidad de energía pero con baja fuerza.

"Luego nos metimos en toda esta cuestión de: 'Si tienes una química que funciona, pero funciona lentamente, ¿cómo puedes acelerarla?'"

Incluso si el equipo resuelve ese desafío, la tecnología actual dicta que las mejores aplicaciones para una batería de hierro probablemente serán una unidad de almacenamiento de energía de microrred vecinal o captura de energía de granja solar, dado el espacio requerido y la velocidad de la energía enviada desde el unidad.

¿Quién ganará?

¿Será alguna vez comercialmente viable la batería de hierro de Allen? No está seguro de que los hallazgos actuales de su equipo, que han sido publicados en una revista científica, los lleven allí.

Después de revisar numerosos inventos sobre baterías, se da cuenta de que sólo unos pocos de ellos llegarán al mercado. En la investigación científica, explica, hay un "valle de la muerte".

"Tienes la investigación básica que da como resultado algo realmente interesante", dice. “Existe la duda de si se puede comercializar. Y no hay dinero para hacer esa pregunta”. Los investigadores que encuentren suficiente dinero para responder a esa pregunta inicial encontrarán, si tienen suerte, inversores que quieran refinar y comercializar la idea. "Pero existe una brecha entre la investigación básica y el refinamiento necesario para hacer comercial una batería".

En 2019, los capitalistas de riesgo se hundieron 1.700 millones de dólares para la puesta en marcha de baterías, de los cuales 1.400 millones se destinarán a investigaciones relacionadas con los iones de litio. Pero las baterías de flujo, el zinc-aire, el metal líquido y muchas otras tecnologías también obtuvieron cheques por escrito. Si bien el almacenamiento de energía de iones de litio probablemente dominará el almacenamiento de energía durante al menos otros 10 años, muchos otros ya parecen poder salir del valle de la muerte.

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