Un gran problema con las baterías de iones de litio utilizadas en los vehículos eléctricos e híbridos es que los materiales que almacenan la energía sólo suponen el 25 por ciento del volumen de la batería. El resto se compone de materiales inactivos, como envases, láminas conductoras, y colas, que hacen que las baterías sean voluminosas y que representan una parte significativa de su coste.
24M tiene la intención de reducir considerablemente el material inactivo presente en las baterías. Según las estimaciones presentadas en el nuevo artículo, las baterías podrían alcanzar casi el doble de la densidad energética de los paquetes de baterías para vehículos actuales. Unas baterías con una densidad de energía más alta serían más pequeñas y más baratas, lo que significa que los coches eléctricos e híbridos serían también más baratos. El documento estima que las baterías podrían llegar a costar tan poco 250 dólares por kilovatio hora—menos de la mitad de lo que cuestan en la actualidad.
Una batería convencional se compone de cientos de celdas. Cada celda contiene un pilón de muchos electrodos delgados y sólidos. Estos electrodos están emparejados con unos colectores de corriente de papel metálico y están separados entre sí por láminas de plástico. El aumento del almacenamiento de energía requiere la adición de más capas de material de electrodo—lo que a su vez requiere más capas de papel metálico y de láminas de plástico.
El diseño de 24M hace que sea posible aumentar el almacenamiento de energía sin añadir capas extra de papel metálico ni de láminas de plástico. La diferencia clave es que los electrodos no son unas tiras sólidas apiladas constituyendo una celda, sino que son unos materiales fangosos almacenados en tanques—uno para el material de electrodo positivo y otro para el de electrodo negativo.
Los materiales son bombeados desde los tanques hacia un pequeño dispositivo, donde se mueven a través de unos canales tallados en bloques de metal. Mientras esto sucede, los iones se mueven de un electrodo a otro a través de la misma clase de material separador utilizado en una batería convencional. Los electrones salen del material hacia un circuito exte o. En este diseño, aumentar el almacenamiento de energía es tan simple como aumentar el tamaño de los tanques de almacenamiento—el dispositivo que permite a los electrodos interactuar mantiene el mismo tamaño. El diseño también elimina la necesidad de utilizar cables para conectar cientos de celdas para alcanzar nivel de almacenamiento de energía adecuado.
La nueva batería es similar a algo que se llama una batería de flujo, en la que dos electrolitos se bombean y se hacen pasar uno a través de otro. Sin embargo, las baterías de flujo convencionales son aproximadamente 10 veces más grandes que el nuevo diseño debido a que utilizan soluciones diluidas para el almacenamiento de energía, lo que las hace poco prácticas para el uso en automóviles.
nLos investigadores, dirigidos por Yet-Ming Chiang, profesor de ciencias de los materiales en el MIT, y uno de los fundadores de ambas A123 Systems y 24M, probaron distintos materiales para los electrodos, incluyendo óxido de cobalto y litio, que es comúnmente usado en las baterías de los ordenadores portátiles. Los investigadores demostraron que el dispositivo puede cargarse y descargarse a las tasas necesarias en los vehículos eléctricos, señala Chiang.
El documento también describe cómo los investigadores abordan uno de los mayores retos del diseño: extraer la carga eléctrica de los lodos. En una pila de iones de litio ordinaria, los electrones hacen su camino saltando a través de las partículas conductoras conectadas en el electrodo sólido hasta llegar a un colector de corriente. En la nueva batería, los electrones no fluyen a través del electrolito. Así que Chiang y sus colegas mezclaron partículas nanométricas de carbono en el lodo; las partículas forman espontáneamente redes interconectadas en el fluido para proporcionar vías de escape para los electrones.
Aún persisten algunos retos antes que la batería pueda ser comercializada. La conductividad eléctrica es todavía alrededor de 100 veces menos de lo que debería ser en un sistema práctico, reconoce Chiang. El investigador también está trabajando en el aumento de la concentración de los materiales activos del lodo.
Jeff Dahn, un profesor de física y de química en la Universidad de Dalhousie, señala que para alcanzar los niveles de potencia necesarios para propulsar un coche, la celda electroquímica aún tendría que ser bastante grande: el material de separación tendría que cubrir un área de unos tres por cuatro metros. Éste podría ser dividido en trozos manejables y los trozos podrían ser apilados, pero esto podría aumentar la complejidad del sistema, e incluso con este enfoque, la celda podría ser muy voluminosa, comenta Dahn.
"Estamos realizando buenos avances en la tecnología", señala el consejero delegado de 24M, Throop Wilder. "La aceptación de este artículo representa una validación significativa de los principios fundamentales que impulsan nuestro desarrollo." 24M consta con cerca de 20 empleados, y ha conseguido unos 16 millones de inversión.
"Se trata de un dispositivo muy bien pensado", afirma Dahn. "No sé si llegará a ser más que una idea en un papel, pero Chiang ya ha sorprendido a la gente en otras ocasiones."