Noticias

Jun 22, 2023

Litio

Por SPW | 29 de enero de 2019 Por Sofiane Boukhalfa, PhD, arquitecta del proyecto; y

Por SPW | 29 de enero de 2019

Por Sofiane Boukhalfa, PhD, arquitecta del proyecto; y Navneeta Kaul, PhD, investigadora; ambos con PreScouter

El mundo moderno funciona con baterías de litio. Sin embargo, se están desarrollando numerosos productos químicos y tecnologías novedosas para contrarrestar las limitaciones de las baterías de iones de litio, incluido el alto costo, el abastecimiento de materias primas y el sobrecalentamiento. La firma de inteligencia de investigación PreScouter, con sede en Chicago, publicó recientemente un informe que detalla 10 nuevas tecnologías de baterías preparadas para interrumpir el mercado durante la próxima década y marcar el comienzo de la próxima ola de baterías de alto rendimiento. Aquí hay una mirada de alto nivel a los hallazgos del informe, incluida una revisión de estas tecnologías de batería más valiosas para el almacenamiento solar plus.

Diez tecnologías de baterías que podrían interrumpir el mercado de energía solar más almacenamiento en los próximos cinco a 10 años. Prescouter

Las baterías de iones de litio han usado tradicionalmente ánodos de grafito, pero los investigadores y las empresas ahora se están enfocando en los ánodos de silicio. Los ánodos dominantes de Si pueden unir iones de litio 25 veces más que los iones de grafito. Sin embargo, estas baterías sufren de baja conductividad eléctrica, una velocidad de difusión lenta y grandes fluctuaciones volumétricas durante la litiación. Estas limitaciones dan como resultado la pulverización de Si y la inestabilidad de la interfase de electrolito sólido (SEI).

Se han utilizado dos estrategias principales para eludir estos desafíos: la nanotecnología y el recubrimiento de carbono. En el primer método, se utilizan varios ánodos de silicio de tamaño nanométrico, que tienen un área de superficie alta, ciclo de vida mejorado y estabilidad de velocidad en comparación con los ánodos de silicio a granel. También pueden soportar litiación y delitiación sin agrietarse. El recubrimiento de carbono utiliza una combinación de nanopartículas de Si con diferentes formas de materiales de carbono para generar ánodos de nanocompuestos de Si/C de alto rendimiento. Recientemente, el carbono dopado con heteroátomos como agentes de recubrimiento ha atraído mucho interés. Los electrodos de Si-C dopados con heteroátomos unen los iones de litio con más fuerza que los átomos de carbono, lo que conduce a un excelente rendimiento electroquímico con una conductividad eléctrica estable.

Las baterías basadas en silicio han generado mucho interés comercial debido a su potencial de bajo costo y capacidades mejoradas para automóviles y teléfonos inteligentes. La competencia es feroz, con muchas empresas emergentes, incluidas Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials y Enevate, para comercializar baterías de iones de litio con dominancia de silicio.

Una de las alternativas más prometedoras a las baterías de litio-azufre son las baterías de sodio-azufre, debido a las propiedades físicas y químicas similares de los iones de Na y Li. Sin embargo, se necesita una temperatura alta (>300 °C) para el funcionamiento con batería. Como alternativa prometedora, el sistema de batería RT-NaS de bajo costo ha generado un amplio interés de investigación para su uso en aplicaciones de red a gran escala con mayor seguridad. Sin embargo, debido a reacciones complejas dentro de la batería, las baterías RT-NaS tienen una capacidad teórica más baja.

Se han utilizado varios enfoques en 2018 para resolver los problemas de las baterías RT-NaS.

Un nuevo enfoque para las baterías recargables. Batería RT-NaS con membrana de malla metálica. MIT

Ilustración esquemática de la síntesis del carbono hueco decorado con nanopartículas de cobalto. Naturaleza

Ilustración esquemática de los electrolitos con NaTFSI 1M convencional en electrolito PC y (derecha) 2MNaTFSI en PC:FEC con electrolito aditivo InI3 10mM. Naturaleza

Aunque las baterías RT-NaS aún se encuentran en la fase inicial de desarrollo, empresas como Ambri, una empresa derivada del MIT dirigida por el Dr. Sadoway, está trabajando para mejorar el diseño de la batería. La próxima generación de tecnologías de almacenamiento de energía basadas en NaS pronto podría convertirse en una realidad con los esfuerzos de investigación en curso y los enfoques discutidos anteriormente.

Muchos esfuerzos de investigación se han dedicado a la generación de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) de alto rendimiento. Sin embargo, la viabilidad de las celdas de combustible PEM ha sido un desafío debido a su alto costo, transporte y almacenamiento de gas hidrógeno.

Un equipo de investigadores de la Universidad RMIT informó recientemente sobre la viabilidad técnica de una batería de protones por primera vez. Consta de dos partes: un electrodo de carbono para almacenar hidrógeno o protones del agua y una celda de combustible PEM reversible para generar electricidad a partir del hidrógeno. El diseño de la batería es innovador, ya que utiliza carbón activado para el electrodo, que es económico, abundante y estructuralmente estable para el almacenamiento de hidrógeno y un pequeño volumen de ácido líquido dentro del material poroso que conduce los protones hacia y desde la membrana de la celda reversible. Con esta batería, se puede lograr un voltaje de 1,8 V.

El nuevo concepto de batería propuesto en 2014 por el profesor Andrews de RMIT. Resumen gráfico del trabajo de investigación del profesor Andrews

Aunque es un gran paso para la producción eficiente de energía impulsada por hidrógeno, la comercialización de esta tecnología aún está muy lejos. El equipo estima que la disponibilidad de la batería será dentro de cinco a 10 años. ABB Marine y Sintef Ocean también están probando una planta de propulsión a escala de megavatios para impulsar barcos comerciales y de pasajeros utilizando celdas de combustible de hidrógeno. Como estas baterías no requieren Li-ion en absoluto, además de usar platino como catalizador, los materiales restantes son económicos y abundantes y, por lo tanto, podrían ser un competidor líder para las baterías de Li-ion actuales.

Las baterías de iones duales (DIB) que utilizan metales distintos del litio han atraído mucho interés en los últimos años para el almacenamiento estacionario de electricidad a gran escala. Se están realizando esfuerzos de investigación para aumentar la densidad de energía de los DIB aumentando el contenido iónico del electrolito y la capacidad de los electrodos para almacenar carga.

El aluminio, abundante, económico, fácil de conseguir y barato, se está investigando como un reemplazo potencial para las baterías de iones de litio. Investigadores suizos de ETH Zurich han ideado dos nuevas tecnologías que son un trampolín para la comercialización de baterías basadas en Al.

Esquema del principio de funcionamiento de una batería recargable de aluminio durante la carga con un cátodo de polipireno y líquido iónico de cloroaluminato. Materiales avanzados

Estos esfuerzos de investigación muestran una gran promesa hacia la comercialización de baterías de iones de aluminio para su uso como una solución de almacenamiento económica para la industria.

Las baterías de níquel-zinc son baterías rentables, seguras, no tóxicas y respetuosas con el medio ambiente que podrían competir con las baterías de iones de litio para el almacenamiento de energía. Sin embargo, la principal barrera para la comercialización ha sido su bajo ciclo de vida.

Para abordar este problema, investigadores chinos de la Universidad Tecnológica de Dalian han desarrollado una técnica de corte in situ innovadora para mejorar el rendimiento de las baterías de Ni-Zn al resolver el problema de la disolución del electrodo de Zn y suprimir la formación de dendritas. El equipo desarrolló un novedoso electrodo híbrido de grafeno-ZnO con la técnica de corte in situ, que puede cortar el grafeno directamente en nanocintas cortas. Las fuertes interacciones interatómicas anclan los átomos de Zn en las superficies de grafeno. Este enfoque soluciona completamente los problemas de disolución del electrodo de Zn, formación de dendritas y rendimiento.

Con la investigación en curso y los enfoques adoptados por las empresas, estas baterías muestran un inmenso potencial para aplicaciones comerciales generalizadas de vehículos eléctricos (EV) y almacenamiento de energía.

Ha habido muchos avances recientes para mejorar el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de potasio (KIB). Tres dignos de mención se enumeran a continuación.

Estos enfoques novedosos ayudarán a eludir las limitaciones de los sustratos anfitriones adecuados para intercalar iones K y son un paso prometedor para atraer inversiones industriales para aplicaciones comerciales.

El agua puede conducir iones y usarse para formar baterías recargables. Sin embargo, la estabilidad química del agua dura hasta 2,3 V, que es tres veces menos que las baterías de iones de litio, lo que limita su uso en vehículos eléctricos. Estas baterías podrían ser adecuadas para aplicaciones estacionarias de almacenamiento de energía. Para lograr el potencial, los investigadores del Instituto Suizo de Investigación y Pruebas de Materiales (Empa) utilizaron una sal específica llamada bis(fluorosulfonil)imida de sodio (FSI), que es muy soluble en agua. El líquido que contiene sal tiene todas las moléculas de agua concentradas alrededor de los cationes de sodio en una capa de hidrato, lo que da como resultado que apenas haya moléculas de agua no unidas presentes. Esta solución salina muestra una estabilidad electroquímica superior de hasta 2,6 V, que es el doble que otros electrolitos acuosos. El prototipo ha mostrado resultados prometedores en el laboratorio y puede soportar múltiples ciclos de carga y descarga.

De manera similar, los investigadores de Stanford han desarrollado una batería de agua salada duradera y de bajo costo para el almacenamiento de energía solar y eólica. Estas baterías son fáciles de desarrollar, ya que solo necesitan sulfato de manganeso, agua, sal industrial barata y electrodos para las reacciones catalíticas. Además, la reacción química almacena electrones como gas hidrógeno para uso futuro, lo que ilustra su idoneidad para aplicaciones a escala de red. El rendimiento del prototipo de batería de manganeso-hidrógeno podría ampliarse y muestra un rendimiento sólido de hasta 10.000 ciclos y una vida útil prolongada. La batería está en proceso de ser patentada por los investigadores antes de las aplicaciones comerciales. Ha generado mucho interés industrial, y empresas como Aquion Energy están trabajando para fabricar baterías más baratas para el almacenamiento a nivel de red. BlueSky Energy utiliza la tecnología de agua salada de Aquion para el almacenamiento solar residencial.

Aunque las aplicaciones actuales de las baterías de agua salada son limitadas, todavía ofrecen varias ventajas, incluida la seguridad, el bajo costo y la no toxicidad, para su uso en sistemas de almacenamiento estacionarios.

Las biobaterías microbianas a base de papel han generado un gran interés, ya que son económicas, respetuosas con el medio ambiente y autosuficientes. Podrían tener enormes aplicaciones en biosensores y futuros dispositivos electrónicos. Sin embargo, la principal limitación es el bajo rendimiento.

Recientemente, Seokheun Choi y un equipo de científicos desarrollaron una batería microbiana de alto rendimiento diseñada a partir de un sustrato de polímero de papel biodegradable. Los poros del papel contenían bacterias eléctricas liofilizadas capaces de exportar electrones como subproducto de la respiración. Para mejorar aún más el rendimiento eléctrico, el equipo incorporó una mezcla de polímeros biodegradables en el papel. Estas celdas de combustible microbianas híbridas de papel y polímero muestran una mejor relación potencia-costo, con una vida útil de aproximadamente cuatro semanas sin necesidad de acondicionamiento ni microorganismos adicionales. La tecnología está bajo solicitud de patente y el equipo está buscando inversiones industriales para su comercialización. Otras mejoras en la optimización del diseño podrían ofrecer más versatilidad en el uso de estas baterías para muchas otras aplicaciones.

Los investigadores aprovecharon las bacterias para alimentar estas baterías de papel. Seok Heun Choi

Las baterías basadas en Mg podrían competir con las de iones de litio en teoría, debido a una mayor capacidad de densidad de energía. Sin embargo, las baterías a base de Mg no son recargables, ya que la reacción reversible requiere un electrolito corrosivo que crea una barrera para los iones Mg2+.

Por primera vez, los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía presentaron un prototipo de una batería recargable a base de Mg. Generaron una interfaz conductora de Mg2+ artificial en la superficie del ánodo de Mg. La interfaz protege la superficie del ánodo de Mg al tiempo que permite el ciclo reversible de una celda de combustible de Mg/V2O5 en un electrolito a base de carbonato que contiene agua. La estrategia mejora significativamente el rendimiento de la batería de las baterías basadas en Mg.

En otro enfoque, un equipo de investigadores del MIT, Berkeley y el Laboratorio Nacional de Argonne desarrollaron un material de estado sólido que conduce los iones Mg más rápido, especialmente en el marco de calcogenuro de espinela ternaria. Este diseño de batería requiere más pruebas e investigación para entrar en la fase de comercialización.

Las baterías utilizadas para aplicaciones solares requieren varias características más allá del bajo costo. Las clasificaciones de capacidad y potencia de las baterías solares dependerán de las características de densidad de potencia y energía de las baterías. Además, métricas como la profundidad de descarga, la vida útil general y la eficiencia de la batería serán cruciales para determinar qué productos químicos terminan funcionando para qué nichos/aplicaciones específicas.

Costo vs rendimiento vs capacidad de almacenamiento. Prescouter

Aunque muchas de las baterías mencionadas anteriormente se encuentran en la fase inicial de desarrollo, podrían ofrecer alternativas de bajo costo a las baterías de iones de litio para aplicaciones solares con una vida útil más prolongada y un amplio rango de temperatura. Las baterías de Ni-Zn, Mg, Al-ion, NaS, DIB de grafito, KIB, de protones y de agua salada podrían desempeñar un papel importante. Estos son reciclables y son objeto de muchas investigaciones sobre cómo optimizar los productos químicos sin reacciones secundarias indeseables. Como tales, ofrecen una gran promesa para el almacenamiento de energía renovable. Por ejemplo, BlueSky Energy ya ha comenzado a utilizar baterías de agua salada para el almacenamiento solar residencial, con precios comparables a las baterías de iones de litio.

Una lista de las tecnologías de baterías que podrían ser adecuadas para aplicaciones solares. Prescouter

Sofiane Boukhalfa, PhD, arquitecta de proyectos, PresSouter

Sofiane lidera las verticales de alta tecnología, aeroespacial y defensa y finanzas en PreScouter. Sofiane obtuvo su BS en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y su Ph.D. en Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia, donde su investigación se centró en la nanotecnología y el almacenamiento de energía. Desde que se graduó de Georgia Tech, ha trabajado como consultor de tecnología emergente y estrategia empresarial en varias empresas y para sus propios clientes.

Navneeta Kaul, PhD, Investigadora, PreScouter

Navneeta se graduó con un doctorado en biología de la Universidad de Denver en agosto de 2018. El enfoque de su investigación fue comprender el mecanismo de síntesis de proteínas locales en la sinapsis, que es importante para la formación de la memoria en los vertebrados. Tiene experiencia en el uso de técnicas bioquímicas y de biología molecular como clonación, PCR, PCR en tiempo real, transferencia Western, inmunoprecipitación, imágenes de células vivas y células fijas. Le apasiona comunicar nuevas tecnologías y avances de investigación a un público más amplio.