Grandes avances en baterías cuentan con tecnología prometedora

Un nuevo método de síntesis hidrotermal crea un material de cátodo libre de cobalto con partículas más uniformes, redondas y compactas (derecha) que lo que es común en los cátodos actuales (izquierda), manteniendo una mayor estabilidad durante todo el ciclo de carga de la batería. Ilustración cortesía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Este motor magnético de alta velocidad reduce significativamente el uso de materiales de tierras raras como el neodimio. Foto cortesía de la Universidad de Nueva Gales del Sur

Esta imagen muestra la microestructura y el mapeo elemental (silicio, oxígeno y azufre) de una capa intermedia porosa que contiene azufre después de 500 ciclos de carga y descarga en una celda de batería de litio y azufre. Ilustración cortesía del Laboratorio Nacional de Argonne

Los ingenieros del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) han desarrollado un nuevo proceso para producir cátodos mejores y más baratos para su uso en baterías de iones de litio. Permite una forma de fabricar baterías más asequibles a partir de un proceso más rápido y menos derrochador que utiliza materiales menos tóxicos.

El procesamiento tradicional presenta numerosos desafíos. Un gran obstáculo es la dependencia del cobalto, un metal raro extraído y refinado en el extranjero.

El equilibrio de otros metales comunes en los cátodos también puede hacer que el proceso de fabricación sea más largo y peligroso. Por ejemplo, la alta concentración de níquel ha llevado al uso generalizado de un método de mezcla química para la producción de cátodos que requiere grandes cantidades de amoníaco para las reacciones corrosivas. El uso de este químico tóxico aumenta los costos, aumenta las preocupaciones ambientales y de salud y desperdicia grandes cantidades de agua para reducir la acidez.

En lugar de agitar continuamente los materiales del cátodo con productos químicos en un reactor, el nuevo método ORNL utiliza un enfoque de síntesis hidrotermal. Cristaliza el cátodo utilizando metales disueltos en etanol. El etanol es más seguro de almacenar y manipular que el amoníaco, y luego se puede destilar y reutilizar.

"Este proceso novedoso ofrece la ventaja clave de llevar a la industria de los cátodos a una producción más limpia y más competitiva en costos, al mismo tiempo que supone una carga menor para nuestro medio ambiente", dice Ilias Belharouak, Ph.D., investigador principal de ORNL para el proyecto.

El método de síntesis hidrotermal también es mucho más rápido. El tiempo necesario para fabricar partículas y prepararse para el siguiente lote de cátodos desciende desde unos pocos días hasta 12 horas.

"Además, el material producido tiene partículas más compactas, redondas y uniformes que son ideales para un cátodo", explica Rachid Essehli, investigador principal de ORNL. "Debido a que sus propiedades son similares a las de los cátodos a base de cobalto actuales, el nuevo material se puede integrar perfectamente en los procesos de fabricación de baterías existentes. Este material del cátodo puede proporcionar más energía y reducir el costo de las baterías de los automóviles eléctricos".

Un nuevo método de síntesis hidrotermal crea un material de cátodo libre de cobalto con partículas más uniformes, redondas y compactas (derecha) que lo que es común en los cátodos actuales (izquierda), manteniendo una mayor estabilidad durante todo el ciclo de carga de la batería. Ilustración cortesía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW Sydney) han desarrollado un motor accionado magnéticamente que reduce significativamente el uso de materiales de tierras raras como el neodimio. El dispositivo de alta velocidad tiene el potencial de aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos.

El diseño del prototipo de motor síncrono de imán permanente interior (IPMSM), inspirado en la forma del puente ferroviario más largo de Corea del Sur, ha alcanzado velocidades de 100.000 revoluciones por minuto. La potencia y la velocidad máximas alcanzadas por el motor han superado el récord existente de alta velocidad de los IPMSM laminados, lo que lo convierte en el IPMSM más rápido del mundo jamás construido con materiales de laminación comercializados.

El motor puede producir una densidad de potencia muy alta, lo que es beneficioso para los vehículos eléctricos al reducir el peso total y aumentar el alcance para cualquier carga dada.

Un IPMSM tiene imanes incrustados dentro de sus rotores para crear un par fuerte para un rango de velocidad extendido. Sin embargo, los diseños existentes sufren de baja resistencia mecánica debido a los delgados puentes de hierro en sus rotores, lo que limita su velocidad máxima.

El dispositivo UNSW presenta una nueva topología de rotor que mejora significativamente la robustez, al mismo tiempo que reduce la cantidad de materiales de tierras raras por unidad de producción de energía. Se basa en las propiedades de ingeniería del puente ferroviario de Gyopo, una estructura de arco de doble tirante, así como en una técnica de distribución de tensión mecánica basada en curvas compuestas.

"Una de las tendencias de los vehículos eléctricos es que tengan motores que giren a velocidades más altas", dice Guoyu Chu, Ph.D., especialista en ingeniería eléctrica de la UNSW. “Todos los fabricantes de vehículos eléctricos están tratando de desarrollar motores de alta velocidad. La razón es que la naturaleza de la ley de la física permite reducir el tamaño de esa máquina. Y, con una máquina más pequeña, pesa menos y consume menos energía; por lo tanto, eso le da al vehículo un rango más largo.

“Con este proyecto de investigación hemos intentado alcanzar la máxima velocidad absoluta, con una densidad de potencia máxima que ronda los 7 kilovatios por kilo”, explica Chu. "Para un motor EV, en realidad reduciríamos un poco la velocidad, pero eso también aumenta su potencia.

"Podemos escalar y optimizar para proporcionar potencia y velocidad en un rango determinado", afirma Chu. "Por ejemplo, un motor de 200 kilovatios con una velocidad máxima de alrededor de 18 000 rpm se adapta perfectamente a las aplicaciones EV".

Según Chu, el nuevo motor también ofrece una ventaja de costo significativa sobre la tecnología existente y utiliza menos materiales de tierras raras.

"La mayoría de los motores de alta velocidad usan una manga para fortalecer los rotores y esa manga generalmente está hecha de un material de alto costo, como titanio o fibra de carbono", dice Chu. "El manguito en sí mismo es muy costoso y también debe ajustarse con precisión. Eso aumenta el costo de fabricación del motor.

“Nuestros rotores tienen muy buena robustez mecánica, por lo que no necesitamos esa manga, lo que reduce el costo de fabricación”, señala Chu. "Y solo usamos alrededor del 30 por ciento de materiales de tierras raras, lo que incluye una gran reducción en el costo del material, lo que hace que nuestros motores de alto rendimiento sean más ecológicos y asequibles".

Este motor magnético de alta velocidad reduce significativamente el uso de materiales de tierras raras como el neodimio. Foto cortesía de la Universidad de Nueva Gales del Sur

El azufre es extremadamente abundante, rentable y puede contener más energía que las baterías tradicionales basadas en iones. Un proyecto reciente de I+D en el Laboratorio Nacional de Argonne descubrió una nueva forma de fabricar baterías a base de azufre. Los ingenieros crearon una capa dentro de la batería que agrega capacidad de almacenamiento de energía y elimina casi por completo un problema tradicional con las baterías de azufre que causan corrosión.

"Estos resultados demuestran que una capa intermedia redox activa podría tener un gran impacto en el desarrollo de baterías de litio-azufre (Li-S)", dice Wenqian Xu, científico de línea de luz en Argonne. "Estamos un paso más cerca de ver esta tecnología en nuestra vida cotidiana".

El prometedor diseño de la batería combina un electrodo positivo (cátodo) que contiene azufre con un electrodo negativo (ánodo) de metal de litio. Entre esos componentes está el electrolito.

Las primeras baterías de Li-S no funcionaban bien porque las especies de azufre (polisulfuros) se disolvían en el electrolito y provocaban su corrosión. Este efecto de transporte de polisulfuro afecta negativamente la vida útil de la batería y reduce la cantidad de veces que se puede recargar una batería.

Para evitar este desplazamiento de polisulfuro, los esfuerzos anteriores intentaron colocar una capa intermedia redox inactiva entre el cátodo y el ánodo. El término "redox-inactivo" significa que el material no experimenta reacciones como las de un electrodo.

Pero esta capa intermedia protectora es pesada y densa, lo que reduce la capacidad de almacenamiento de energía por unidad de peso de la batería. Tampoco reduce adecuadamente el traslado. Esto ha demostrado ser una barrera importante para la comercialización de baterías de Li-S.

Para abordar este problema, el equipo de ORNL desarrolló y probó una capa intermedia porosa que contiene azufre. Las pruebas en el laboratorio mostraron una capacidad inicial aproximadamente tres veces mayor en las células Li-S con esta capa intermedia activa, en lugar de inactiva. Más impresionante aún, las celdas con la capa intermedia activa mantuvieron una alta capacidad durante 700 ciclos de carga y descarga.

"Experimentos anteriores con células que tenían la capa redox inactiva solo suprimieron el desplazamiento, pero al hacerlo, sacrificaron la energía para un peso celular dado porque la capa agregaba peso adicional", dice Guiliang Xu, Ph.D., químico de Argonne. . "Por el contrario, nuestra capa activa redox se suma a la capacidad de almacenamiento de energía y suprime el efecto de transporte".

Los esfuerzos de investigación futuros evaluarán el potencial de crecimiento de la tecnología de capa intermedia activa redox. "Queremos tratar de hacerlo mucho más delgado, mucho más liviano", dice Xu.