Los investigadores de Cambridge están trabajando para resolver uno de los mayores enigmas de la tecnología:cómo construir baterías de próxima generación que puedan impulsar una revolución verde.

Como muchos de nosotros, cuando me despierto alcanzo el teléfono en mi mesita de noche y comienzo a navegar por Twitter, Instagram aplicaciones de correo electrónico y noticias. Escucho música en streaming mientras me preparo para el trabajo y podcasts durante mi viaje. Para cuando llego a la oficina, mi teléfono ya necesita un impulso. Ni siquiera son las 9 de la mañana.

Es un milagro moderno que tengamos computadoras en nuestros bolsillos más poderosas que las que apoyaron los alunizajes. Pero, a pesar del hecho de que los transistores dentro de nuestros teléfonos y computadoras portátiles se han vuelto más pequeños y rápidos cada año, las baterías que las alimentan no lo han hecho.

La clave para hacer que la electrónica sea portátil, y generar un cambio radical en la forma en que nos comunicamos y consumimos información, fue la comercialización de baterías de iones de litio por Sony en 1991. Las baterías de iones de litio son recargables, por lo que cuando el dispositivo está conectado a un cargador, restaura la batería para otro uso.

Si bien las baterías de iones de litio tienen ventajas innegables, como densidades de energía relativamente altas y una vida útil prolongada en comparación con otras baterías y medios de almacenamiento de energía, también pueden sobrecalentarse o incluso explotar y su producción es relativamente cara. Adicionalmente, su densidad de energía no se acerca a la de la gasolina. Esto los hace inadecuados para un uso generalizado en dos importantes tecnologías limpias:coches eléctricos y almacenamiento a escala de red para energía solar. Una batería mejor podría marcar la diferencia. Entonces, ¿qué está retrasando el progreso?

La profesora Clare Gray es una de las principales investigadoras de baterías del Reino Unido y dirige un gran grupo de investigación en el Departamento de Química de Cambridge. Utilizando métodos como la espectroscopia de RMN, su grupo estudia materiales que podrían usarse en baterías de próxima generación, pilas de combustible y supercondensadores.

Una batería mejor es aquella que puede almacenar mucha más energía o una que puede cargarse mucho más rápido, idealmente ambas. El grupo de Grey está desarrollando una gama de diferentes baterías de próxima generación, incluidas las baterías de litio-aire (que utilizan la oxidación del litio y la reducción de oxígeno para inducir una corriente), baterías de sodio, baterías de magnesio y baterías de flujo redox.

Una batería de litio-aire que funcione, por ejemplo, tendría una densidad de energía teórica diez veces mayor que la de una batería de iones de litio, dándole aplicaciones potenciales en electrónica portátil, transporte y almacenamiento en red. Sin embargo, aunque esta alta densidad energética sería comparable a la de la gasolina, la densidad de energía práctica alcanzable es notablemente menor y quedan por abordar importantes desafíos de investigación.

Si bien Gray trabaja con socios industriales para mejorar las baterías que se utilizan en los automóviles eléctricos en la actualidad, dice que el papel de las universidades es pensar en tipos de baterías completamente nuevos, como los que está desarrollando en su laboratorio.

"Las universidades deben encontrar respuestas durante diez a 15 años a partir de ahora; somos los que estamos en mejores condiciones para innovar, pensar creativamente y generar radical, nuevas soluciones, ", dice." Queremos asegurarnos de que nuestro trabajo tenga un impacto mucho más allá de las baterías de hoy ".

Además de desarrollar tipos de baterías completamente nuevos, un aspecto importante de la investigación de Grey es la detección de fallas. Como parte de su cátedra financiada por la Royal Society, Gray está tratando de encontrar formas de localizar fallas en las baterías antes de que sucedan.

"¿Podemos detectar indicadores de fallas en las baterías antes de que se estropeen? Si podemos encontrarlos, entonces podríamos evitar que las baterías exploten. Además, queremos explorar si una batería de automóvil que ha llegado al final de su vida útil podría tener una segunda vida en la red, por ejemplo. Si pudiéramos hacer ejercicio en tiempo real, qué hace que la batería se degrade, podríamos cambiar la forma en que usamos la batería, asegurando que dure más, ", dice." Cuanto más sabemos sobre el estado de salud de una batería, más valiosa se vuelve la batería. Ambas estrategias, aumentar la vida útil de la batería y encontrar un segundo uso, conducen a baterías más baratas ".

Gray también está muy involucrado con la Institución Faraday, el instituto nacional independiente de investigación de baterías del Reino Unido, financiado por el gobierno a través de su Estrategia Industrial. Ella lidera uno de los cuatro proyectos de 'inicio rápido', con otras nueve universidades y diez socios industriales, para examinar cómo las tensiones ambientales e internas de la batería (como altas temperaturas, tasas de carga y descarga) dañan las baterías de los automóviles eléctricos con el tiempo.

"Cuando piensas en otros dispositivos electrónicos, por lo general, solo piensas en un material, que es silicio, "dice el Dr. Siân Dutton en el Laboratorio Cavendish de Cambridge en el Departamento de Física, y que también está trabajando en el proyecto de la Institución Faraday. "Pero las baterías son mucho más complejas porque tienes varios materiales con los que trabajar, más todo el embalaje, y tienes que pensar en cómo interactúan todos estos componentes entre sí y con cualquier dispositivo en el que estés colocando la batería ".

Entre otros proyectos, El grupo de investigación de Dutton está investigando la posibilidad de que un electrolito de batería sea sólido en lugar de líquido. Una de las principales preocupaciones de seguridad con las baterías de iones de litio es la formación de dendritas:fibras metálicas delgadas que provocan un cortocircuito en la batería. potencialmente provocando que la batería se incendie o incluso explote.

"Si el electrolito es sólido, sin embargo, todavía puede tener dendritas, pero es mucho menos probable que exploten las baterías, ", dice." Es importante que las universidades se fijen en materiales de batería no convencionales como los que estamos investigando. Si todos se mueven en la misma dirección, no obtendremos el cambio real que necesitamos ".

La perspectiva de un coche eléctrico con una autonomía de 1, 000 millas, o un iPhone que se carga en dos minutos, o poder utilizar la energía solar almacenada después de que se pone el sol, puede que todos sean algunos años de distancia. Pero, dice Gray:"Si nos tomamos en serio el cambio a una economía con bajas emisiones de carbono, tenemos que pensar en cómo solucionar estos problemas ahora. Seguimos impulsando nuevos materiales y nuevos métodos porque, sin ellos, los campos de investigación se estancan ".