Hay más teléfonos móviles en el mundo que personas. Casi todos ellos funcionan con baterías recargables de iones de litio, que son el componente más importante que ha permitido la revolución de la electrónica portátil de las últimas décadas. Ninguno de esos dispositivos sería atractivo para los usuarios si no tuvieran suficiente energía para durar al menos varias horas. sin ser particularmente pesado.

Las baterías de iones de litio también son útiles en aplicaciones más grandes, como vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía de redes inteligentes. Y las innovaciones de los investigadores en ciencia de materiales, buscando mejorar las baterías de iones de litio, están allanando el camino para más baterías con un rendimiento aún mejor. Ya se está formando una demanda de baterías de alta capacidad que no se incendien ni exploten. Y mucha gente ha soñado con algo más pequeño, Baterías más ligeras que se cargan en minutos, o incluso segundos, pero almacenan suficiente energía para alimentar un dispositivo durante días.

Investigadores como yo aunque, están pensando aún más aventureros. Los automóviles y los sistemas de almacenamiento en la red serían incluso mejores si pudieran descargarse y recargarse decenas de miles de veces durante muchos años. o incluso décadas. Los equipos de mantenimiento y los clientes adorarían las baterías que pudieran monitorearse a sí mismas y enviar alertas si estuvieran dañadas o si ya no funcionaran al máximo rendimiento, o incluso si pudieran repararse por sí mismas. Y no puede ser demasiado soñar con baterías de doble propósito integradas en la estructura de un artículo, ayudando a dar forma a la forma de un teléfono inteligente, coche o edificio al mismo tiempo que potencia sus funciones.

Todo eso puede ser posible a medida que mi investigación y la de otros ayuden a los científicos e ingenieros a ser cada vez más expertos en controlar y manejar la materia a escala de átomos individuales.

Materiales emergentes

En la mayor parte, los avances en el almacenamiento de energía dependerán del desarrollo continuo de la ciencia de los materiales, empujando los límites de rendimiento de los materiales de baterías existentes y desarrollando estructuras y composiciones de baterías completamente nuevas.

La industria de las baterías ya está trabajando para reducir el costo de las baterías de iones de litio, incluso eliminando el costoso cobalto de sus electrodos positivos, llamados cátodos. Esto también reduciría el costo humano de estas baterías, porque muchas minas en el Congo, la principal fuente mundial de cobalto, Utilice a los niños para realizar trabajos manuales difíciles.

Los investigadores están encontrando formas de reemplazar los materiales que contienen cobalto con cátodos hechos principalmente de níquel. Eventualmente, es posible que puedan reemplazar el níquel con manganeso. Cada uno de esos metales es más barato, más abundante y más seguro para trabajar que su predecesor. Pero vienen con una compensación, porque tienen propiedades químicas que acortan la vida útil de sus baterías.

Los investigadores también están buscando reemplazar los iones de litio que se transportan entre los dos electrodos con iones y electrolitos que pueden ser más baratos y potencialmente más seguros. como los basados ​​en sodio, magnesio, zinc o aluminio.

Mi grupo de investigación analiza las posibilidades de utilizar materiales bidimensionales, esencialmente láminas extremadamente delgadas de sustancias con propiedades electrónicas útiles. El grafeno es quizás el más conocido de ellos:una hoja de carbono de solo un átomo de espesor. Queremos ver si apilar capas de varios materiales bidimensionales y luego infiltrar la pila con agua u otros líquidos conductores podrían ser componentes clave de las baterías que se recargan muy rápidamente.

Mirando dentro de la batería

No se trata solo de nuevos materiales que expanden el mundo de la innovación en baterías:los nuevos equipos y métodos también permiten a los investigadores ver lo que sucede dentro de las baterías con mucha más facilidad de lo que antes era posible.

En el pasado, los investigadores pasaron una batería a través de un proceso de carga-descarga particular o un número de ciclos, y luego quitó el material de la batería y lo examinó después del hecho. Solo entonces los académicos pudieron saber qué cambios químicos habían ocurrido durante el proceso e inferir cómo funcionaba realmente la batería y qué afectaba su rendimiento.

Pero ahora, los investigadores pueden observar los materiales de la batería mientras se someten al proceso de almacenamiento de energía, analizando incluso su estructura y composición atómicas en tiempo real. Podemos utilizar sofisticadas técnicas de espectroscopia, como las técnicas de rayos X disponibles con un tipo de acelerador de partículas llamado sincrotrón, así como microscopios electrónicos y sondas de barrido, para observar el movimiento de los iones y el cambio de las estructuras físicas a medida que la energía se almacena y se libera de los materiales en una batería.

Esos métodos permiten a investigadores como yo imaginar nuevas estructuras y materiales de baterías, hágalos y vea qué tan bien, o no, funcionan. De esa manera, seremos capaces de mantener en marcha la revolución de los materiales de la batería.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.