Etanol: la llave para hacer que las baterías de los autos eléctricos almacenen más energía y sean más verdes

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Aunque a la fecha tan sólo el 4% de la ventas de automóviles nuevos a nivel global corresponden a vehículos eléctricos, hay quienes proyectan que podría alcanzar el 30% en 2030. Pero para ello, los especialistas aseguran que será fundamental mejorar la autonomía de estos vehículos, lo que va de la mano con mejorar la densidad de energía gravimétrica de las baterías.

Esta variable, que se mide en watts – hora por kilogramo, podría mejorarse utilizando materiales más seguros y fácilmente reciclables que sean abundantes. El metal de litio en los ánodos se considera como el «santo grial» para mejorar la densidad de energía en las baterías de los vehículos eléctricos enchufables, pudiendo alcanzar una densidad de energía más competitiva, de 500 W-h/kg, duplicando las opciones tradicionales, como el grafito, que rondan los 240 W-h/kg.

Yan Yao, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston, y y su colega Jibo Zhang están asumiendo este desafío junto a otros investigadores de la Universidad Rice, también ubicada en Houston. En un artículo publicado el 17 de junio en Joule, Zhang, Yao y su equipo cuentan como han logrado duplicar la densidad de energía de las baterías de litio de estado sólido de base orgánica utilizando un proceso asistido por solventes para alterar la microestructura del electrodo. Zhaoyang Chen, Fang Hao, Yanliang Liang de UH , Qing Ai, Tanguy Terlier, Hua Guo y Jun Lou de Rice University fueron coautores del artículo.

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“Estamos desarrollando materiales de cátodos de base orgánica sin cobalto, abundantes en la tierra y de bajo costo para una batería de estado sólido que ya no requiere los escasos metales de transición que se encuentran en las minas”, dijo Yao. «Esta investigación es un paso adelante en el aumento de la densidad de energía de la batería de los vehículos eléctricos utilizando esta alternativa más sostenible». Yao también es Investigador Principal del Centro de Superconductividad de Texas en UH (TcSUH).

Cualquier batería incluye un ánodo, también conocido como electrodo negativo, y un cátodo, también conocido como electrodo positivo, que están separados por una membrana porosa. Los iones de litio fluyen a través de un conductor iónico, un electrolito, que permite la carga y descarga de electrones que generan electricidad, en este caso para alimentar el motor del vehículo.

Los electrolitos suelen ser líquidos, pero eso no es necesario; también pueden ser sólidos, un concepto relativamente nuevo. Esta novedad, combinada con un ánodo de metal de litio, puede evitar cortocircuitos, mejorar la densidad de energía y permitir una carga más rápida.

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Los cátodos generalmente determinan la capacidad y el voltaje de una batería y, posteriormente, son la parte más cara de las baterías debido al uso de materiales escasos como el cobalto, que se espera que alcance un déficit de 65.000 toneladas en 2030. Los cátodos a base de cobalto se utilizan casi exclusivamente en baterías de estado sólido debido a su excelente rendimiento; solo recientemente han surgido baterías de litio basadas en compuestos orgánicos (OBEM-Li) como una alternativa más abundante, más limpia y que se recicla más fácilmente.

“Existe una gran preocupación en torno a la cadena de suministro de baterías de iones de litio y Estados Unidos no es la excepción”, dijo Yao. “En este trabajo, mostramos la posibilidad de construir baterías de litio de alta densidad energética mediante la sustitución de cátodos basados ​​en metales de transición con materiales orgánicos obtenidos de una biorrefinería, donde Estados Unidos tiene la mayor capacidad del mundo”.

Los cátodos a base de cobalto generan 800 W-h/kg de energía específica a nivel de material, una cantidad similar al que generan las baterías OBEM-Li, como fue demostrado por primera vez por el equipo en su publicación anterior. Pero las baterías OBEM-Li anteriores estaban limitadas a una fracción de masa muy baja de materiales activos debido a limitaciones de la microestructura del cátodo. Esto limita la densidad de energía total.

Yao y Zhang descubrieron cómo mejorar la densidad de energía a nivel de electrodo en las baterías OBEM-Li optimizando la microestructura del cátodo. Para hacer esto, la microestructura se alteró usando un solvente familiar: bioetanol. El cátodo orgánico utilizado fue pireno-4,5,9,10-tetraona o PTO.

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«Los cátodos a base de cobalto a menudo se ven favorecidos porque la microestructura es naturalmente ideal, pero formar la microestructura ideal en una batería de estado sólido de base orgánica es más desafiante», dijo Zhang.

A nivel de electrodo, la microestructura asistida por solvente aumentó la densidad de energía a 300 W-h/kg en comparación con la microestructura de mezcla en seco, que logra poco menos de 180 W-h/kg al mejorar significativamente la tasa de utilización del material activo. Anteriormente, se podía aumentar la cantidad de materiales activos, pero el porcentaje de utilización seguía siendo bajo, cercano al 50%. Con la contribución de Zhang, esa tasa de utilización mejoró al 98% y resultó en una mayor densidad de energía.

“Estamos desarrollando materiales de cátodos de base orgánica sin cobalto, abundantes en la tierra y de bajo costo para una batería de estado sólido que ya no requerirá los escasos metales de transición que se encuentran en las minas”, dice Yao. «Esta investigación es un paso adelante en el aumento de la densidad de energía de la batería de los vehículos eléctricos utilizando esta alternativa más sostenible».

La investigación fue financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del Departamento de Energía de EE UU., como parte del Consorcio Battery 500.

 
 
 
 
 

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