California, conocida por liderar a los Estados Unidos en las regulaciones climáticas, lanzó una bomba el mes pasado: para 2035, el estado prohibirá las ventas de automóviles y camiones ligeros nuevos a gasolina. Se espera que la mayoría de las ventas de automóviles nuevos cambien a vehículos eléctricos (EV) que funcionan con baterías. Pero junto con los altos precios y el alcance modesto, los vehículos eléctricos actuales tienen otro gran inconveniente: tardan en recargarse. Mientras que llenar un tanque de gasolina solo toma unos minutos, recargar un EV toma entre una hora y un día, según el equipo de carga y el tamaño de la batería.
“Habrá un retroceso [from car buyers] a menos que haya una solución de carga más rápida”, dice Sarah Tolbert, experta en baterías de la Universidad de California (UC), Los Ángeles. Yi Cui, científico de materiales de la Universidad de Stanford, está de acuerdo. Él predice que la adopción generalizada de los vehículos eléctricos forzará una revolución en el diseño de baterías. La necesidad de una carga rápida, dice, «definitivamente brindará oportunidades para que surjan nuevas químicas de baterías». Mediante el uso de nuevos materiales para electrodos o iones portadores de carga, él y otros ya han presentado candidatos prometedores.
La mayoría de los vehículos eléctricos actuales utilizan baterías de iones de litio en las que uno de los dos electrodos, el ánodo, está hecho de grafito. El grafito ha dominado el mercado porque es barato, abundante y capaz de almacenar suficientes iones de litio para dar a los automóviles una autonomía de unos 500 kilómetros. Durante la carga, el voltaje aplicado empuja electrones hacia el grafito, atrayendo iones de litio del otro electrodo, el cátodo. A medida que el automóvil avanza, el litio suelta los electrones y viaja de regreso al cátodo, mientras que los electrones pasan por el motor, que convierte parte de su energía en movimiento, antes de regresar al cátodo.
Pero los ánodos de grafito son difíciles de cargar rápidamente. La mayoría de los cargadores en los Estados Unidos hoy en día usan un voltaje doméstico estándar de 120 voltios (un cargador L1) o 240 voltios (L2). Incluso los cargadores L2 pueden requerir 10 horas o más para cargar completamente un EV con un rango típico de 500 kilómetros. Los cargadores L3 de voltaje aún más alto, como los supercargadores Tesla, pueden cargar un EV al 80 % de su capacidad en 45 minutos. Pero estos cargadores de casi 500 voltios pueden hacer que los iones de litio en el grafito se acumulen en agujas de metal llamadas dendritas que pueden provocar un cortocircuito en la batería y hacer que se incendie. Incluso si eso no sucede, la carga de alto voltaje puede causar cambios estructurales irreversibles en el grafito que acortan la vida útil de la batería.
Una solución parcial puede provenir simplemente de cambiar las velocidades a las que se descargan las baterías que contienen grafito. En un 23 diciembre 2021 Naturaleza En un artículo, Cui y sus colegas informaron que duplicar la tasa de descarga durante los primeros 2 minutos de uso de la batería esencialmente derrite las dendritas de litio acumuladas, lo que puede prolongar la vida útil de una batería de iones de litio en un 29 % y hacer que resista mejor a la carga rápida.
Otra opción emergente es cambiar el material del ánodo por completo. Hace quince años, Cui y otros demostraron que los ánodos hechos de silicio pueden aumentar la cantidad de carga que puede almacenar una batería y permitir una carga más rápida. Cada átomo de silicio puede unir cuatro iones de litio, en comparación con solo uno por cada seis átomos de carbono en el grafito. Pero empujar tantos átomos de litio en una matriz de silicio puede hacer que el material del ánodo se hinche hasta cuatro veces en tamaño. Y cargar y descargar repetidamente la batería generalmente pulveriza el silicio, matando la batería.
Más recientemente, Cui y otros han demostrado que las modificaciones a nanoescala de la estructura del silicio, como forjarlo en una matriz de nanocables, pueden permitir que el ánodo se hinche y se encoja sin fracturarse, lo que prolonga la vida útil de la batería. Amprius, la compañía que Cui creó para comercializar la tecnología, informó en febrero que desarrolló una batería de iones de litio con ánodo de silicio con una capacidad de 450 vatios-hora por kilogramo, casi el doble que las celdas de 280 Wh/kg que se usan actualmente. vehículos eléctricos Tesla. Además, las nuevas celdas pueden cargarse al 80 % de su capacidad en solo 6 minutos. La compañía ahora vende baterías para drones y otras aeronaves remotas y está trabajando para ampliar la tecnología para vehículos eléctricos.
También se están trabajando en otros materiales de ánodo. En 2013, Tolbert, junto con su colega de la Universidad de California en Los Ángeles, Bruce Dunn, y otros, informaron que los ánodos hechos de niobio de metal gris y liviano también permitirían una mayor capacidad y una carga más rápida que el grafito. Procesaron el óxido de niobio en una forma similar a una esponja, compuesta de zarcillos a nanoescala perforados con poros del tamaño de una micra. El área de superficie muy alta de este material le permite contener una gran cantidad de litio, y los canales más grandes permiten que los iones de litio pasen rápidamente, lo que resulta en una carga más rápida. Y a diferencia del silicio, la estructura del óxido de niobio no cambia cuando atrapa y libera iones de litio. Los iones de litio se ubican cerca de los átomos de niobio durante la carga y simplemente se alejan durante la descarga, causando menos daño a la batería a medida que pasa por ciclos repetidos de carga/descarga.
En 2017, UC Los Ángeles otorgó la licencia de su tecnología a una startup de California llamada Battery Streak. El mes pasado, la compañía informó que fabricó celdas de «bolsa» del tamaño de la palma de la mano capaces de cargarse al 80% de su capacidad en solo 10 minutos. (Los vehículos eléctricos actuales usan miles de celdas de tamaño similar). Durante esa carga rápida, las celdas de Battery Streak se calientan solo 8 °C, en comparación con las baterías de iones de litio basadas en grafito, que se calientan hasta 50 °C durante altas temperaturas. carga de voltaje Eso debería retrasar la degradación de la batería y prolongar la vida útil de las celdas Battery Streak más de 10 veces con respecto a las baterías de litio con ánodo de grafito actuales, dice Dan Alpern, vicepresidente de marketing de Battery Streak. Esa mayor duración de la batería debería compensar el precio del niobio, que suele ser más de 30 veces mayor que el del grafito. Al igual que Amprius, Battery Streak está trabajando para ampliar sus baterías para vehículos eléctricos.
Reemplazar los iones de litio que transportan carga con otros materiales también puede ayudar. En la edición del 24 de agosto de Naturaleza, por ejemplo, Donald Sadoway, químico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y sus colegas informaron sobre un diseño de batería novedoso que se basa en iones de aluminio. Su prototipo tiene una capacidad similar a las baterías de iones de litio convencionales pero es capaz de recargarse en minutos. La batería debe funcionar cerca del punto de ebullición del agua para permitir que los iones de aluminio se muevan a través del electrolito de sal fundida del dispositivo, que transporta iones entre los electrodos. Pero Sadoway y su equipo ya están trabajando para reducir la temperatura de funcionamiento. Si tienen éxito, la batería podría ser un éxito de taquilla porque el aluminio es barato; en comparación con las baterías de litio, el costo de los materiales para estas baterías sería un 85% menor.
Nadie sabe cómo se desarrollarán en el mercado todas estas y otras químicas de baterías novedosas, dice Gil Tal, experto en tecnología de transporte de UC Davis. Pero agrega que es una apuesta segura que la adopción de EV a gran escala hará que el mercado de las baterías se divida, lo que permitirá a los usuarios elegir sus baterías en función de si priorizan el costo más bajo, la carga más rápida, la mayor capacidad o la vida más larga. Para 2035, dice Tal, «el mercado será mucho más diverso».
