Energía
Diseñando una batería mejor – Fuera del cobalto y dentro del…TAQ?
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently desarrollado a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals. In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.
La importancia de las baterías
With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.
Hasta el día de hoy, la química dominante para las baterías es la tecnología de iones de litio. Esto se debe a que estas baterías son de las más densas en energía disponible cuando se mide en kW/kg. Esta métrica es, de lejos, la más importante en aplicaciones de movilidad, ya que cada kilo extra de batería implica la necesidad de más batería y/o menos autonomía.
Así que, dado que los EVs han demostrado ser la probable tecnología clave del futuro para automóviles (y quizá camiones e incluso aviones), se ha realizado un esfuerzo considerable para mejorar la tecnología de baterías.
¿Abandonar el ion de litio?
Si bien es altamente densa, la tecnología tradicional de ion de litio no está exenta de fallas. Hay una lista de problemas por resolver:
- La densidad sigue siendo bastante baja en comparación con combustibles líquidos como la gasolina y el diésel, lo que genera ansiedad de autonomía.
- La carga puede ser algo lenta, lo que representa un problema para muchos conductores y aplicaciones comerciales.
- Las baterías son caras, en gran parte debido a la necesidad de minerales costosos.
- Esto hizo que los EVs fueran inicialmente más un bien de lujo que un bien de consumo normal.
- La extracción de estos minerales rara vez es respetuosa con el medio ambiente y a menudo se acompaña de condiciones laborales deplorables y explotación de trabajadores pobres o niños en minas, especialmente en el caso del cobalto en el Congo.
Como resultado, se han considerado muchas químicas alternativas. Esto incluye, sin limitarse a,
- LFP (Litio‑Hierro/Fosfato de hierro)
- ión de sodio
- baterías de estado sólido
- litio‑azufre
- grafeno
- baterías de vidrio
La oxidación del aluminio ha sido incluso discutida como una alternativa a las baterías por completo. Sin embargo, todas estas alternativas tienen sus limitaciones. Esto puede incluir una vida útil más corta, dificultad de fabricación, etc.
(Discutimos en detalle las ventajas y limitaciones de cada una de estas tecnologías en nuestro artículo “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías”).
Las más prometedoras, como las baterías de estado sólido, siguen estando en una fase experimental, y las listas para la comercialización, como LFP y ión de sodio, sufren de una menor densidad de energía que el ion de litio.
Probablemente exista un mercado para estas baterías de menor densidad, ya que también son mucho más baratas de producir. La empresa china CATL (300750.SZ), que produce más de la mitad de las baterías del planeta, está entre los líderes en este campo. Discutimos a los principales fabricantes de baterías en nuestro artículo “Top 10 Battery Stocks To Invest In”.
Sin embargo, en última instancia, el EV ideal tendría una batería barata Y potente. Esta combinación probablemente será necesaria para reemplazar completamente el motor de combustión, especialmente en aplicaciones comerciales.
El problema del cátodo de ion de litio
La mayoría de las limitaciones del ion de litio provienen de las propiedades químicas y físicas de la parte del cátodo de la batería. Es el cátodo el que típicamente requiere cobalto, y aun en alternativas potenciales sin cobalto, suele depender en gran medida de otros metales costosos como el níquel y el magnesio.
(Los metales requeridos para la transición a los EVs y energías renovables fueron discutidos más a fondo en nuestro artículo “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”)
Estos metales deben ser extraídos, causan contaminación y las condiciones laborales a menudo son terribles. También son tóxicos, lo que hace que el reciclaje de baterías sea una tarea más complicada.
Fuente: Visual Capitalist
Los investigadores han estado buscando alternativas basadas en carbono, o los llamados cátodos orgánicos. Por ahora, esto ha sido bastante infructuoso, ya que los cátodos orgánicos han sido o demasiado bajos en densidad de energía o no lo suficientemente duraderos para usarse en el contexto de ciclos frecuentes de carga‑descarga de los EVs.
Esto podría haber cambiado, gracias al descubrimiento mencionado anteriormente por los investigadores del MIT.
Un nuevo tipo de cátodo orgánico
Prof. Mircea Dincă, trabajando en la cátedra W.M. Keck de Energía en MIT, ha explorado recientemente nuevos compuestos orgánicos previamente no probados para aplicaciones de cátodo. En lugar de los compuestos organosulfuros y carbonilos previamente explorados, investigó un compuesto llamado TAQ (bis‑tetraaminobenzoquinona). Su equipo había demostrado previamente el potencial de este químico como material de supercondensador.
TAQ tiene un gran potencial para su uso en baterías, ya que forma “estructuras sólidas en capas que podrían competir potencialmente con el rendimiento tradicional de los cátodos basados en cobalto.“
En sí mismo, esto no habría sido suficiente. Los investigadores del MIT también descubrieron cómo mejorar la adherencia del TAQ al colector de corriente de acero inoxidable del cátodo, mejorando la estabilidad del nuevo prototipo de cátodo de prueba de concepto.
Al añadir materiales que contienen celulosa y caucho al TAQ, lograron de forma segura más de 2.000 ciclos de carga‑descarga. La densidad de energía también fue mayor que la de los cátodos basados en cobalto, y la carga tomó menos de 6 minutos.
¿Qué sigue?
Esto es, por ahora, un prototipo de laboratorio, y se requerirá trabajo adicional para escalarlo al tamaño completo de un paquete de baterías de EV, y aún más esfuerzo para ver cómo crear un proceso de fabricación a gran escala para esta nueva química de baterías.
Sin embargo, esta es una de las primeras veces que un cátodo orgánico ha superado a los diseños de ion de litio basados en cobalto en cada métrica importante: densidad de energía, costo de los materiales y velocidad de carga.
Esto muestra que la química de ion de litio podría seguir siendo la química de baterías dominante, siempre que pueda resolver su dependencia de metales que causan problemas éticos y medioambientales.
Otro aspecto que la investigación del Prof. Dincă demuestra es que los cátodos orgánicos tienen un gran potencial, con potencialmente miles de otros compuestos orgánicos aún no probados para esta aplicación. Así que, incluso si el TAQ resulta insuficiente para desplazar al cobalto y al níquel, otros químicos similares al TAQ podrían lograrlo.
Los diseños de ion de litio también se benefician de una cadena de suministro y base de fabricación preexistentes masivas. Y sería mucho más fácil simplemente cambiar el cátodo que reconstruir fábricas de baterías desde cero para acomodar nuevas químicas. Por lo tanto, mejorar el ion de litio podría tener mucho sentido desde el punto de vista empresarial.
También vale la pena señalar que los cátodos orgánicos se han discutido para otros tipos de baterías, por ejemplo, para baterías de ion de aluminio, ion de sodio/potasio, zinc o baterías de iones duales basadas en calcio. Por lo tanto, es posible que el descubrimiento de las propiedades del TAQ pueda aplicarse a otros tipos de baterías además del ion de litio.
En cualquier caso, los componentes orgánicos en las baterías las harán más fáciles de reciclar, un tema (una oportunidad de inversión) que exploramos en profundidad en nuestro artículo “Abordando el dilema del ion‑litio: Eliminación de celdas de baterías obsoletas en un mundo cada vez más electrificado“.
Empresas de cátodos orgánicos
Volkswagen AG
La investigación del Prof. Mircea Dincă fue financiada por Automobili Lamborghini S.p.A., una subsidiaria de Audi, propiedad del Grupo Volkswagen. Ya se ha presentado una solicitud de patente para la tecnología de cátodo orgánico.
El fabricante alemán es el segundo mayor productor de automóviles del mundo, solo detrás de Toyota. La empresa estuvo, durante un tiempo, rezagada en la tecnología de EVs, pero ha trabajado arduamente para ponerse al día desde entonces, notablemente con la serie de coches ID y varios modelos híbridos también.
Fuente: Volkswagen
Para 2033, el Grupo Volkswagen planea producir solo EVs en Europa.
La colaboración con los investigadores del MIT es solo una entre muchas, con otras asociaciones sobre EVs que incluyen:
- Una asociación con Renault para un EV de 20.000 euros.
- Una inversión de 700 M$ en la china Xpeng para impulsar las ventas de EV en China.
- Una asociación con SAIC Motor de China para suministrar plataformas de EV a Volkswagen.
- Una asociación con Jetta Motor para adquirir tecnología de EV.
- Una asociación de 492 M$ con Magna para revitalizar los icónicos SUV Scout como EV
Con sus ambiciosos planes respecto a los EVs y el acceso a tecnología avanzada de EV de compañías chinas líderes, Volkswagen está en una buena posición para observar la tecnología patentada de cátodo orgánico del MIT y trabajar en su despliegue a gran escala en sus futuros EVs.
Otras empresas de baterías orgánicas
Aunque no están desarrollando nuevos cátodos, dos startups están trabajando en usar compuestos orgánicos para mejorar el rendimiento del ánodo, Store Dot y EnergyX.
