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Cuando las baterías de iones de litio de consumo llegaron al mercado en la década de 1990, fueron revolucionarias: podían recargarse en unas pocas horas.o menos e hizo que nuestras computadoras y teléfonos modernos fueran verdaderamente portátiles. Pero tres décadas después, esta tecnología de baterías está lista para una importante actualización, ya que la dura realidad del cambio climático significa que las baterías de iones de litio deben alimentar no solo nuestros dispositivos sino también nuestros automóviles. Eso es mucho más difícil.

Las baterías de iones de litio se han convertido en la forma preferida de almacenamiento de energía porque tienen una densidad de energía extremadamente alta, lo que significa que pueden almacenar mucha energía en un volumen relativamente pequeño. El litio en sí mismo es elEl metal más liviano de la tabla periódica, lo que hace que las baterías de iones de litio sean particularmente portátiles. Sin embargo, a medida que la tecnología se incorporó a los vehículos eléctricos (EV), estas baterías se llevaron al límite.

Solo se pueden cargar y descargar tantas veces, y es posible que hayamos alcanzado el límite superior de su capacidad de almacenamiento. Esta es una de las mayores preocupaciones que tienen las personas con los vehículos eléctricos, ya que más capacidad equivale a más alcance. Las baterías también ocupan mucho espacio en los autos que ya tenemos, lo que significa que no podemos simplemente agregar más baterías para obtener más autonomía.

Entonces, para que esta revolución EV tenga éxito, las baterías deben mejorar. Tienes que ir más lejos y pesar menos con una sola carga. Las baterías de los vehículos eléctricos también deben ser menos propensas a estallar en llamas, un problema raro pero muy preocupante.(Los autos de gasolina e híbridos también tienen riesgos de incendio). Recientemente, Chevy tuvo que retirar todos los Chevy Bolt que vendió debido a los riesgos de incendio de la batería. Las baterías de iones de litio en los automóviles de hoy también podrían beneficiarse de nuevos componentes básicos. Actualmente se fabrican con materiales escasos como el cobalto y el níquel, cada vez más caros. La escasez de estos materiales podría, en última instancia, obstaculizar la fabricación de vehículos eléctricos en la industria automotriz, y RJ Scaringe, director ejecutivo del fabricante de vehículos eléctricos Rivian, advirtió recientemente que el mundo está fabricando menos del 10 por ciento de las celdas de batería para vehículos eléctricos que necesita producir en una década. desde ahora.

La carrera para resolver estos problemas se está acelerando. Los fabricantes de baterías desde hace mucho tiempo, como CATL y LG Energy Solution, están repensando la química básica de las baterías para que funcionen mejor en los vehículos eléctricos. Mientras tanto, Ford y GM están invirtiendo en nuevas investigaciones sobre baterías con la esperanza de darle una ventaja a Tesla. Incluso el gobierno se está involucrando: en marzo, el presidente Joe Biden invocó la Ley de Producción de Defensa, una ley de 1950 que le permite al presidente impulsar la producción nacional de ciertos productos en caso de emergencia, para aumentar el suministro del país.Metales y materiales raros utilizados en vehículos eléctricos.

Eso está muy bien, pero el tiempo es esencial. El cambio climático solo se está acelerando, y cada nuevo automóvil propulsado por combustibles fósiles exacerbará la amenaza. Afortunadamente, la mejor tecnología de baterías no solo está en desarrollo; está empezando a salir al mercado.

La batería de iones de litio, explicada

Los vehículos eléctricos no funcionan con una batería grande, sino con miles de celdas más pequeñas. Cada celda tiene cuatro componentes clave que forman una batería: un ánodo, un cátodo, un separador y un electrolito, que suele ser un líquido. Para alimentar un dispositivo como un automóvil,Los átomos o moléculas cargados, llamados iones, se mueven a través del electrolito desde el ánodo hasta el cátodo, liberando sus electrones adicionales y generando electricidad. Para cargar una batería, sucede lo contrario: los electrones fluyen hacia la batería y los iones regresan del cátodo al ánodo, creando energía potencial que luego puede descargar la batería.

En las baterías de iones de litio, estos iones son naturalmente iones de litio.Sony vendió la primera batería de iones de litio para una de sus videocámaras, y la tecnología de baterías pronto se volvió omnipresente en la electrónica de consumo. En parte porque ahora están tan extendidos, los fabricantes de automóviles están recurriendo a las baterías de iones de litio para alimentar sus autos eléctricos. Para hacer esto, generalmente empaquetan docenas de celdas de batería de iones de litio en estuches protectores más grandes, los llamados módulos. Luego, estos módulos se ensamblan en un paquete de baterías aún más grande que alimenta el vehículo eléctrico.

Sin embargo, las baterías de iones de litio no son exactamente perfectas para los vehículos eléctricos. Aparte del riesgo improbable pero real de estallar en llamas, el EV promedio tiene un alcance de 260 millas. Eso es suficiente para moverse en los viajes diarios, pero preocupa a muchos ciclistas en excursiones de mayor alcance.

El propio litio también tiene algunos problemas. La extracción de litio no es particularmente respetuosa con el medio ambiente, y actualmente no hay suficientes minas de litio en el mundo para proporcionar suficiente material para la cantidad de baterías EV que probablemente necesitemos. También existe una creciente preocupación por otros metales que se utilizan comúnmente en las baterías de iones de litio, a saber, el cobalto, que se extrae principalmente en la República Democrática del Congo y se ha relacionado con el trabajo infantil y los derechos humanos.

Nuevos materiales

Una forma relativamente fácil de construir una mejor batería es incorporar diferentes materiales en la tecnología tradicional de iones de litio. Los nuevos materiales tienen sus propias ventajas y desventajas, y algunas combinaciones pueden ser más adecuadas para los vehículos eléctricos que otras.

Una de estas combinaciones se llama batería de fosfato de hierro y litio, que integra materiales menos costosos en el cátodo de la batería. Si bien estas baterías no pueden contener tanta energía como otras baterías de iones de litio, permiten a los fabricantes de automóviles fabricar más baterías por menos dinero y, por lo tanto, ofrecen más vehículos eléctricos a un precio más bajo. Las baterías de fosfato de hierro y litio ya se usan ampliamente en China, y Tesla anunció el otoño pasado que usaría la química en sus vehículos estándar.

Otro enfoque cambia los materiales en el ánodo de la batería. Muchas baterías de iones de litio actualmente tienen ánodos de grafito porque es relativamente barato y dura mucho tiempo. Pero un puñado de nuevas empresas están utilizando en su lugar silicio, el mismo material que se utiliza para fabricar chips de computadora. Las baterías con ánodos de silicio pueden contener diez veces la carga de los ánodos de grafito, lo que aumenta la capacidad de energía total de la batería. Empresas como Sila Nanotechnologies, NEO Battery Materials y Enovix están perfeccionando sus diseños.

una idea solida

Como sugiere el nombre, una batería de estado sólido utiliza un electrolito sólido en lugar del electrolito tradicional. Este material sólido no es un bloque enorme sino una capa de material como el vidrio o la cerámica. Los electrolitos sólidos son más compactos, lo que significa que las baterías de estado sólido pueden ser más pequeñas y almacenar más energía. Otro beneficio es que los electrolitos sólidos no son tan inflamables como las baterías de iones de litio tradicionales, ni requieren la misma infraestructura de enfriamiento.

Las baterías de estado sólido todavía enfrentan algunos obstáculos reales. Son caros y difíciles de producir en masa, por lo que hasta ahora han aparecido principalmente en laboratorios. Otro desafío es que muchos diseños de baterías de estado sólido tienen un ánodo de metal de litio en lugar de grafito. Este metal de litio a veces forma dendritas, ramas de metal que rezuman del ánodo hacia el electrolito, que puede romperse y provocar un cortocircuito en una batería de estado sólido.

Eso no hace que estas baterías sean un callejón sin salida. Ya se han incorporado en algunos marcapasos, prototipos de auriculares y otros dispositivos electrónicos, y ahora los gigantes automotrices están explorando cómo adaptar la tecnología para que eventualmente pueda funcionar en los automóviles. Ya hay algunos signos alentadores de progreso: Volkswagen, Ford y Stellantis han invertido en la tecnología. Toyota planea lanzar un vehículo híbrido que use una batería de estado sólido para 2025 y Nissan espera lanzar un vehículo eléctrico que use baterías de estado sólido para 2028. y carga más rápido que otras baterías, cuando se combina con otra idea: una batería que no necesita ningún ánodo.

Baterías con forma de coche

Finalmente, las baterías de iones de litio pueden no parecer baterías en absoluto. Podrías convertirte en parte de lo que los impulsa. Esa es la idea detrás de las baterías estructurales, donde una batería es también otra parte de un vehículo, como la carrocería de un automóvil o el fuselaje de un avión.

Esto podría abordar un desafío fundamental con las baterías, que es que son increíblemente grandes y pesadas. Si una parte del vehículo también pudiera servir como fuente de energía, el tamaño total de un vehículo eléctrico teóricamente podría reducirse. También significaría usar menos materias primas en general.

Este concepto se está adoptando gradualmente en los vehículos que ya están en circulación. Tesla ha desarrollado una nueva batería estructural que se conecta directamente a los asientos en el interiorsu vehículo Modelo Y. De manera similar, Volvo planea reducir la huella de sus baterías diseñándolas para que también soporten el piso de sus automóviles, y GM ya está lanzando vehículos eléctricos que usan baterías para reforzar el chasis de sus vehículos. Eso puede sonar como ajustes menores en este momento, pero podría allanar el camino para autos propulsados ​​​​completamente por sus propios marcos, y posiblemente incluso aviones.

El auge de la batería es cada vez más grande

Conducir vehículos será una tarea hercúlea para las baterías, pero no la única. Para alejarnos de los combustibles fósiles, necesitamos usar fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica. Pero debido a que el sol y el viento no siempre están presentes cuando necesitamos electricidad, debemos almacenar la energía que proporcionan cuando la necesitamos. Eso significa que nuestros hogares, ciudades e incluso la red eléctrica requieren baterías que son realmente grandes.

Estas baterías no necesariamente tienen los mismos requisitos que las baterías que se usan en los automóviles, al igual que las baterías que usamos en los automóviles no tienen los mismos requisitos que las baterías que alimentan nuestros teléfonos. Después de todo, una batería que almacena energía para su hogar no necesita ser particularmente liviana, no se mueve, ni necesita cargarse rápidamente. Eso significa que estas baterías no necesariamente necesitan litio en absoluto, e incluso podrían funcionar con alternativas emergentes como el sodio y el zinc. Pero si bien estas baterías individuales no serán todas iguales, todas desempeñarán un papel fundamental para impulsar el futuro y frenar el cambio climático.

Por ahora. Es muy posible que en el futuro utilicemos combustibles futuristas en nuestros automóviles o incluso reactores nucleares portátiles. Pero todo indica que estas tecnologías no estarán listas en el corto plazo. De momento la batería es lo mejor que tenemos.

Actualizado el 18 de abril, 11 a. m.: Esta historia se actualizó para incluir comentarios sobre la oferta de tecnología de baterías del CEO de Rivian.

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