Libre de metales pesados, el nuevo diseño de la batería podría aliviar las preocupaciones ambientales
A medida que se exploran alternativas a las baterías para todo, desde vehículos hasta redes de energía inteligentes, siguen existiendo importantes preocupaciones en torno a la sostenibilidad de las tecnologías de baterías disponibles.
Muchos materiales de las baterías, incluidos los metales pesados como el níquel y el cobalto, plantean enormes riesgos ambientales y humanitarios. El cobalto en particular, que está disponible en gran medida en África central, ha sido objeto de críticas por sus prácticas de extracción descuidadas y explotadoras.
Utilizando tres nuevos y diferentes materiales patentados, que nunca antes se habían registrado como combinados en una batería, se ha descubierto una química para una nueva batería que no utiliza metales pesados u otras sustancias con problemas de abastecimiento.
Los materiales para esta batería pueden extraerse del agua de mar, sentando las bases para técnicas de abastecimiento menos invasivas que los métodos actuales de extracción de materiales.
Los investigadores trabajan para combinar y probar materiales y formulaciones únicas para tecnologías de baterías más sostenibles.
Tan prometedora como la composición de esta nueva batería es su potencial de rendimiento. En las pruebas iniciales, se demostró que puede ser optimizada para superar las capacidades de las baterías de iones de litio en una serie de categorías individuales, incluyendo menores costes, un tiempo de carga más rápido, mayor potencia y densidad de energía, fuerte eficiencia energética y baja inflamabilidad.
El nuevo diseño de la batería podría superar el rendimiento de las baterías de iones de litio en varias tecnologías sostenibles
Este diseño utiliza un material catódico sin cobalto ni níquel, así como un electrolito líquido seguro con un alto punto de inflamación. Esta combinación única de cátodo y electrolito demostró la capacidad de suprimir las dendritas de metal de litio durante la carga, reduciendo así la inflamabilidad, lo que se considera un inconveniente importante para el uso de metal de litio como material del ánodo.
Este descubrimiento tiene un potencial significativo para las baterías de vehículos eléctricos, por ejemplo, cuando entran en juego preocupaciones como la inflamabilidad, el costo y el tiempo de carga. Las pruebas actuales muestran que se necesitan menos de cinco minutos para que la batería -configurada para alta potencia- alcance un estado de carga del 80 por ciento. En combinación con el costo relativamente bajo de la obtención de los materiales, el objetivo de un vehículo eléctrico de carga rápida y bajo costo podría convertirse en una realidad.
En el ámbito de la rápida evolución de los vehículos voladores y las aeronaves eléctricas, es fundamental tener acceso a baterías con una densidad de potencia muy alta, que puedan escalar una carga de energía rápidamente. Cuando se optimiza para este factor, este nuevo diseño de batería supera los 10.000 W/L, superando a las baterías de iones de litio más potentes del mercado. Además, nuestras pruebas han demostrado que esta batería puede diseñarse para un ciclo de vida largo, lo que la convierte en una opción para aplicaciones de redes eléctricas inteligentes y nuevas infraestructuras energéticas en las que la longevidad y la estabilidad son fundamentales.
En general, esta batería ha demostrado la capacidad de superar a las baterías de iones de litio existentes no sólo en las aplicaciones anteriormente mencionadas, sino que también puede ser optimizada para una serie de beneficios específicos, entre ellos:
- Menor costo: Los materiales de cátodo activo tienden a costar menos porque están libres de cobalto, níquel y otros metales pesados. Estos materiales son típicamente muy intensivos en recursos para la fuente, y también han planteado preocupaciones sobre su sostenibilidad.
- Carga más rápida: Se requieren menos de cinco minutos para alcanzar un estado de carga del 80 por ciento (SOC), sin comprometer la capacidad de descarga específica.
- Alta densidad de potencia: Más de 10.000 W/L. (que supera el nivel de potencia que puede alcanzar la tecnología de las baterías de iones de litio).
- Alta densidad de energía: Más de 800 Wh/L, comparable a la batería de iones de litio de última generación.
- Excelente eficiencia energética: Más del 90 por ciento (calculado a partir de la relación entre la energía para descargar la batería y la energía para cargarla).
- Baja inflamabilidad de los electrolitos
Desde el laboratorio hasta la industria con los fabricantes de automóviles, electrolitos y baterías
Para trasladar esta nueva batería desde la fase inicial de investigación exploratoria al desarrollo comercial, IBM Research se ha unido a Mercedes-Benz Research and Development North America, Central Glass, uno de los principales proveedores de electrolitos para baterías del mundo, y Sidus, un fabricante de baterías, para crear un nuevo ecosistema de desarrollo de baterías de nueva generación. Aunque los planes para un mayor desarrollo de esta batería están todavía en fase de exploración, nuestra esperanza es que este ecosistema en ciernes ayude a hacer realidad estas baterías.
Acelerando el descubrimiento de materiales con la IA
En el futuro, el equipo también ha implementado una técnica de inteligencia artificial (IA) llamada enriquecimiento semántico para mejorar aún más el rendimiento de la batería mediante la identificación de materiales más seguros y de mayor rendimiento. Utilizando técnicas de aprendizaje automático para dar a los investigadores humanos acceso a conocimientos de millones de puntos de datos para informar sus hipótesis y los próximos pasos, los investigadores pueden acelerar el ritmo de la innovación en este importante campo de estudio.
Construyendo sobre una historia de exploración e innovación en la ciencia de los materiales
Utilizando un enfoque multidisciplinario que combina la ciencia de los materiales, la química molecular, la ingeniería eléctrica, el equipamiento avanzado del laboratorio de baterías y la simulación por ordenador, el Laboratorio de Baterías de IBM Research se basa en la historia de IBM Research en el avance de la ciencia de los materiales.
Equipo de prueba de celdas de monedas Maccor en el laboratorio de baterías de IBM Research, que evalúa el rendimiento electroquímico de las celdas de monedas fabricadas en el laboratorio.
El invento de IBM Research de la amplificación química, por ejemplo, ayudó a impulsar el crecimiento y el avance de la Ley de Moore, marcando el comienzo de una era de desarrollo de semiconductores más rápido y más barato que ahora es la columna vertebral de los dispositivos electrónicos.
La combinación de esta innovación en materiales y la experiencia en catálisis para aplicaciones que van desde el reciclado de plásticos hasta la fabricación de semiconductores – junto con un profundo conocimiento de los mecanismos químicos – permitió al equipo dentro del Laboratorio de Baterías de IBM Research aportar esta nueva y emocionante tecnología de baterías.