CAMBIO CLIMÁTICO

El desafío de reemplazar las baterías de combustión interna con baterías que no se queman

En 66 años, menos de toda una vida, pasamos de una cometa motorizada pilotada por humanos que volaba en una playa ventosa en 1903 a poner hombres en la luna en 1969. Decididamente en menos tiempo (siempre que fuera acelerado por las exigencias de la guerra ) la bomba atómica se desarrolló solo siete años después del descubrimiento de la fisión nuclear en 1938.

Y, sin embargo, la batería eléctrica tal como la conocemos hoy en día fue inventada en 1800 por Alessandro Volta. Las mejoras se han producido lentamente durante los últimos dos siglos, y hace unas semanas, la Administración Nacional de Seguridad del Transporte en las Carreteras (NHTSA) anunció que estaba «investigando» problemas recurrentes de incendios de baterías que involucran a algunos vehículos Tesla, lo que demuestra que está lejos de ser un problema. producto terminado.

En la carrera hacia la economía centrada en los electrones de Thomas Friedman del siglo XXI, los fabricantes de baterías han perdido una gran ventaja y ahora siguen a competidores más rápidos que avanzan en las fronteras de otras áreas, como el espacio, la fabricación de semiconductores y la informática. Sin mencionar que el almacenamiento y la conversión de energía son una gran pieza que falta en el rompecabezas del cambio climático, que seguirá faltando si seguimos enfocados en mantener el sistema en lugar de encontrar la solución.

¿Cómo es posible después de todo este tiempo que la mayoría de nosotros siga viajando principalmente por combustión interna, porque no podemos fabricar baterías que no quieran entrar en combustión espontánea?

Conozco las dificultades involucradas. Superar algunos de ellos acaba de ganar a un trío de laureados con el Premio Nobel de Química 2019; este trabajo comenzó durante el embargo petrolero árabe de la década de 1970 (convirtiendo a John B. Goodenough en el premio Nobel de mayor edad en la historia con 97 años). Pero en los 28 años transcurridos desde que Sony comercializó por primera vez su trabajo en 1991, el modelo básico de cátodo de ánodo de litio y óxido de cobalto (LCO) de grafito de una batería de iones de litio no ha avanzado mucho. El costo se ha reducido significativamente, pero ha habido una ganancia relativamente pequeña en la densidad de energía o en la cantidad de energía que puede entrar y salir de un tamaño y peso aceptables.

Durante el mismo período, la densidad de los transistores semiconductores ha mejorado en un orden de 10.000 veces o más, impulsando la ley de Moore de que la velocidad y la capacidad de nuestras computadoras se duplican cada dos años. Las mejoras en la densidad energética, por el contrario, han sido frustrantemente lentas, con un promedio actual de entre el 5 y el 8 por ciento anual. Una mala actuación que probablemente no cambie pronto.

Esto se debe a que, en nuestra economía competitiva, fabricar una batería mejor, desde el final de la investigación hasta la fabricación y la aplicación, no recibe el mismo enfoque que el Proyecto Manhattan o el programa Apollo. Aunque hay mucho en juego; La Organización Mundial de la Salud proyecta 250 000 muertes adicionales por año en todo el mundo entre 2030 y 2050 debido al cambio climático y los factores de riesgo elevados asociados, como la desnutrición, el estrés por calor y la malaria.

Desafortunadamente, sin embargo, hemos sido lo suficientemente inteligentes como para producir un sistema que funciona, de manera bastante confiable, a escala y por un costo razonable. En consecuencia, la mayoría de los miles de millones que se invierten hoy en tecnología de baterías (calculo que el 80 por ciento) están respaldando pasos incrementales para solucionar fallas ocasionales y mantener el sistema (y los dólares) en funcionamiento, en lugar de mejorar la ciencia básica.

Los materiales son la cosa. Mientras que los diseñadores y fabricantes de chips nos asombran con la cantidad de circuitos integrados que pueden forzar en una pequeña cantidad de silicio, la física de la actual batería de iones de litio basada en grafito-LCO se está acercando a sus límites. La innovación y la integración de nuevos materiales son cruciales.

A medida que los funcionarios de la NHTSA comiencen su revisión de «petición de defecto» de Tesla, observarán específicamente las actualizaciones que el fabricante de automóviles ha realizado en el sistema de administración de la batería con respecto a la «capacidad de carga o la administración térmica de la batería durante o después de la carga». La compañía publicó recientemente una actualización de software para sus vehículos Model S y Model X que limita la carga al 80 % de su capacidad y reduce significativamente su alcance, que es otro inconveniente de la tecnología limitada actual.

La nanotecnología puede proporcionar algunas respuestas. Los investigadores han demostrado que las baterías de iones de litio que utilizan nanosilicio derivado de la arena en lugar del tradicional carbono/grafito en el lado del ánodo son 10 veces más eficaces. Pero incluso esta promesa de una mejora de diez veces en el almacenamiento de energía y el rendimiento (que tiene sus propios problemas) solo nos distrae del otro obstáculo para el progreso real en mejores baterías para nuestros autos del futuro. Pasamos por alto el mercado.

Consulto con muchas empresas internacionales. Universalmente, ven el desarrollo de baterías de estado sólido que reemplacen los electrolitos líquidos y usen metal de litio en lugar de un ánodo de carbono/grafito como el próximo gran paso en la evolución de la batería.

Y, sin embargo, otros investigadores de todo el mundo todavía dividen su tiempo entre todo tipo de otras actividades, a veces solo relacionadas tangencialmente, como la carga extremadamente rápida o XFC. O carga de inducción inalámbrica. O nanogeneradores triboeléctricos (TENGs). Incluso baterías con extintores incorporados. Todo esto puede servir de conveniencia, crear conveniencia y abrir nuevas fuentes de ingresos, pero hace poco para impulsarnos en la tecnología energética y el cambio climático.

Se necesitaron solo seis décadas para pasar de una playa azotada por el viento en Carolina del Norte a la superficie lunar, y ya ha pasado medio siglo desde ese histórico primer paso. ¿Llegará al mercado una batería verdaderamente estable de alta capacidad, alto rendimiento y uso diario antes de que pasen otros 66 años en 2035? Probablemente.

Pero lo estamos cortando cerca.

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