A 200 años de su invención, la extraordinaria batería ha experimentado una evolución significativa para adaptarse a las aplicaciones modernas. Estas fuentes de energía autónomas son clave para nuestra sociedad cada vez más conectada, alimentando nuestras redes de comunicación y transporte.

Con el cambio a la energía renovable, se vislumbra una nueva era de electrificación, respaldada en gran parte por los innovadores diseños de baterías que los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) creen que están al alcance de la mano.

“El equipo de investigación de baterías de NREL reúne a una amplia gama de expertos (físicos, químicos e ingenieros) para enfrentar desafíos complejos en el almacenamiento de energía”, manifestó Matt Keyser, ingeniero sénior de almacenamiento de energía de NREL. “Nuestra investigación abarca la escala de la preparación tecnológica y la investigación de baterías, desde la ciencia de los materiales a escala atómica hasta los sistemas a gran escala”.

Las preferidas de hoy en día para los avances en el almacenamiento de energía son las baterías de iones de litio (Li-ion), que ganaron popularidad como una alternativa más liviana y poderosa a los diseños de hidruro de plomo-ácido o níquel-metal. Estas baterías permiten a los usuarios controlar el flujo de energía para cargas y descargas repetidas y de alta velocidad, alimentando todo, desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles, vehículos eléctricos (EV) y almacenamiento estacionario a gran escala. La investigación en curso en NREL continúa refinando las baterías de iones de litio para satisfacer las necesidades únicas de diferentes aplicaciones.

¿Qué depara el futuro del almacenamiento de baterías?

En la transición hacia una sociedad más electrificada, las baterías jugarán un papel esencial para ayudar a almacenar energía de fuentes renovables para suministrar electricidad para edificios, transporte y aplicaciones de red. Las tecnologías de baterías emergentes deben enfocarse en reducir los costos, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de densidad y vida útil. Usando capacidades ultramodernas e instalaciones de laboratorio de clase mundial, los investigadores de almacenamiento de energía de NREL continúan ampliando los límites de las baterías con el desarrollo de materiales, la gestión térmica, el diagnóstico y el modelado.

Investigación de materiales para iones de litio 
El primer nivel de innovación ocurre en la síntesis de materiales de batería, la etapa en la que se produce el desarrollo o el perfeccionamiento de materiales para nuevos diseños. En un nivel alto, todas las baterías tienen un electrodo positivo (cátodo) y un electrodo negativo (ánodo) suspendidos por separado dentro de un electrolito. A medida que los electrones se mueven del ánodo al cátodo, generan una corriente eléctrica y suministran electricidad. Los avances en las actualizaciones de materiales en toda la arquitectura de la batería pueden desbloquear mejoras en el rendimiento, la estabilidad y la sostenibilidad de la batería. Sin embargo, la introducción de nuevos materiales, como el silicio y el azufre, también puede generar nuevas reacciones químicas. Los investigadores de NREL aceptan el desafío de abordar estas reacciones en evolución a través de una evaluación cuidadosa de materiales avanzados, sopesando oportunidades para satisfacer una variedad de aplicaciones y necesidades.

El silicio puede ser una de las próximas grandes actualizaciones de materiales para baterías. A medida que los vehículos eléctricos continúan ganando popularidad, los investigadores han identificado al silicio como una oportunidad prometedora para aumentar la densidad de energía de las baterías de los vehículos. Una investigación reciente del Proyecto de Consorcio de Silicio (SCP, por sus siglas en inglés) liderado por NREL descubrió que reemplazar el grafito que se usa típicamente en los ánodos de las baterías de iones de litio con silicio puede allanar el camino para reducir el tamaño de la batería en un 25 % a 30 % y aumentar el rango de conducción en un 30 %. %–40%.

Sin embargo, los ánodos basados en silicio presentan desafíos únicos para la estabilidad y la vida útil de las baterías de iones de litio. La litiación, que se produce durante la carga de la batería, provoca el hinchamiento y la compresión del silicio, lo que provoca grietas y fracturas en las partículas de la batería. Además, una reacción entre el silicio y el electrolito líquido conduce a la formación de un material de “interfaz de electrolito de silicio” que provoca la descomposición del electrolito dentro de la batería.

“Se trata de asegurarse de que los diferentes componentes dentro de la célula se comporten bien juntos”, dijo Tony Burrell, científico senior de materiales de NREL. “Nuestra investigación SCP tiene como objetivo equipar los ánodos de silicio con recubrimientos protectores para extender la vida útil de las baterías basadas en silicio, esencialmente por el tiempo que pueden funcionar. Los recubrimientos de electrodos se usan comúnmente para mejorar la durabilidad de las baterías, pero depende de nosotros identificar los materiales y el grosor correctos para usar con silicio”.

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