Pequeños ajustes para grandes cambios: ¿Son las texturas de metales blandos un avance en baterías?

Las baterías son omnipresentes. Nuestra era tecnológica moderna no puede avanzar ni prosperar sin baterías fabricadas eficazmente y eficientes. Las baterías están presentes en vehículos eléctricos, dispositivos móviles, almacenamiento de energía renovable y mucho más. 

Si observamos los números de crecimiento, el potencial es exponencial. Entre 2022 y 2030, se espera que la demanda global de baterías de ion de litio, por ejemplo, aumente casi siete veces, alcanzando 4,7 teravatios-hora en 2030. Los expertos del mercado atribuyen una parte significativa de este crecimiento a la creciente popularidad de los vehículos eléctricos, que dependen en gran medida de las baterías de ion de litio. En 2024, los VE representaron más del 80 % de la demanda mundial de baterías de ion de litio. 

Apoyar este crecimiento extraordinario requeriría escalar la producción de baterías. Y este aumento de la producción solo puede respaldarse con innovación. La buena noticia es que investigadores de todo el mundo están trabajando en ello. Exploran constantemente nuevos materiales, diseños, configuraciones y química. 

Sin embargo, también es crucial seguir verificando si estas exploraciones optimizan los recursos disponibles. Y bajo ese escrutinio, los investigadores descubrieron que la textura de los metales es algo que ha sido históricamente pasado por alto. 

Mientras explicaba la naturaleza exacta de este descuido, UChicago PME Prof. Shirley Meng, el Profesor de la Familia Liew en Ingeniería Molecular, dijo lo siguiente:

“Existe una brecha en la comprensión de la orientación de granos, también conocida como textura, y cómo dicho factor impacta el rendimiento de las baterías recargables de metal.”

La solución proviene del Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía de Meng y su socio industrial, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Más específicamente, proviene de un artículo escrito por Meng y sus co‑investigadores. El artículo se titula ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.’

Experimentando hacia una mejor textura para mejores baterías

Con el término ‘textura’, los investigadores se refieren a la orientación de granos que está orientada en una dirección particular en lugar de una distribución aleatoria. La difracción de retrodispersión de electrones con haz de iones enfocado por plasma (PFIB-EBSD) ayuda a caracterizar la textura del metal bajo diversas condiciones de electrodeposición y despojo electroquímico. 

En el estudio¹, los investigadores destacaron la competencia entre la energía superficial y la energía de deformación para la formación de textura de los metales alcalinos. Más concretamente, intentaron comprender cómo la dominancia de la difusión atómica y la energía superficial de los metales alcalinos sobre el crecimiento de selección de granos durante los procesos electroquímicos funciona como clave para explicar las limitaciones cinéticas de las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de metal, particularmente a temperatura ambiente. El objetivo final de esta investigación y los conocimientos derivados de ella fue lograr texturas deseables mediante la ingeniería de interfaces para mejorar la eficiencia de electrodeposición/despojo a altas densidades de corriente.

Los investigadores llevaron a cabo una serie de pasos en su búsqueda de comprender cuál podría ser la textura perfecta para baterías metálicas. Caracterizaron la textura del metal blando bajo diversas condiciones, desarrollaron una teoría termodinámica y un modelo de campo de fase para la formación de textura, identificaron texturas deseables para mejorar la eficiencia de electrodeposición/despojo y, finalmente, diseñaron una capa interfacial para el crecimiento deseado de granos. 

¿Qué logró la investigación?

En palabras de UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, el primer autor del nuevo trabajo, los investigadores descubrieron que agregar una fina capa de silicio entre el metal de litio y el colector de corriente ayuda a crear la textura deseada.

Los investigadores inferieron que el “cambio mejoró la capacidad de tasa de la batería en casi diez veces en baterías de estado sólido total que utilizan metal de litio”.

¿Pero qué llevó a los investigadores a descubrir qué era correcto y óptimo? 

Los investigadores comenzaron con la premisa de que la textura ideal para el ánodo de una batería sería aquella en la que los átomos pudieran moverse rápidamente a lo largo del plano superficial, ya que un movimiento más rápido ayuda a que las baterías se carguen y descarguen más rápido. Para cambiar la forma en que está texturizada, lo que importaba eran las diferencias en la energía superficial del metal blando. 

Según el Profesor Minghao Zheng:

“Dado que las baterías con metal de litio o sodio dependen de estas texturas para una capacidad de tasa favorecida, el equipo se preguntó si ajustar la textura de los metales blandos podría mejorar las densidades de potencia.”

El logro del objetivo dependió en gran medida del uso efectivo de la tecnología microscópica, que involucró el fresado dentro de un microscopio electrónico de barrido con haz de iones enfocado por plasma (PFIB-SEM) con mapeo de difracción de retrodispersión de electrones (EBSD). La combinación eficiente de estas dos técnicas podría ayudar a estudiar la textura de nuevas maneras. 

Al detallar la utilidad de la tecnología de microscopio desplegada para la investigación, el coautor del estudio Zhao Liu, Gerente Senior de Desarrollo de Mercado de Thermo Fisher Scientific, dijo lo siguiente:

“La combinación PFIB-EBSD es adecuada para este estudio, ya que PFIB puede acceder eficazmente al área de interés dentro de la pila de celdas, produciendo una superficie de alta calidad con defectos mínimos, mientras que EBSD proporciona información detallada de la textura del metal blando.”

Además de su socio industrial, los investigadores también se asociaron con el Laboratorio de Investigación de Vanguardia de LG Energy Solution, con el objetivo de trabajar hacia la comercialización de la tecnología. 

Según el Investigador Senior de LG Energy Solution, Jeong Beom Lee, la investigación ayudaría a desarrollar baterías de próxima generación para vehículos eléctricos y aplicaciones de almacenamiento de energía. 

¿Qué planean hacer los investigadores a continuación?

De cara al futuro, los investigadores tienen dos objetivos claros. Primero, quieren reducir la presión utilizada durante las pruebas de 5 megapascales (MPa) a 1 MPa, el estándar actual de la industria para baterías comercialmente disponibles. En segundo lugar, desean investigar el impacto de la textura en el sodio, que, según los hallazgos de Meng, tiene el potencial de convertirse en una alternativa económica y de fácil disponibilidad al litio. 

Otras investigaciones sobre materiales de baterías de ion de litio

Aunque la investigación actual presenta un avance, esfuerzos de investigación similares no son poco comunes. Una revisión de investigaciones realizadas sobre dichas baterías, publicada en Materials Today, destacó el hecho de que aunque las baterías de ion de litio tenían claras ventajas de ser una batería de alta densidad energética, alta vida de ciclo y alta eficiencia como lo es hoy, la investigación continuaba en nuevos materiales de electrodo para impulsar los límites de costo, densidad energética, densidad de potencia, vida de ciclo y seguridad.

Mientras los investigadores examinaban las prometedoras opciones de materiales de ánodo y cátodo disponibles, descubrieron que muchos de ellos sufrían de problemas de conductividad eléctrica limitada, transporte de Li lento, disolución u otras interacciones desfavorables con el electrolito, baja estabilidad térmica, alta expansión de volumen y fragilidad. Las soluciones disponibles a estos problemas involucraban cátodos de intercalación introducidos al mercado. Sin embargo, la velocidad a la que la tecnología de materiales de conversión alcanzaba la comercialización era lenta. 

Hablando de comercialización y escalado, ahora deberíamos dirigirnos a empresas que pueden lograr mucho mediante dicha investigación tecnológica de alto nivel. 

1. Samsung

En agosto de 2024, Samsung SDI de Corea del Sur completó un acuerdo con General Motors (GM ) para construir una fábrica conjunta de baterías para vehículos eléctricos en el estado de Indiana, EE. U. U. A través de este acuerdo, ambas compañías decidieron construir conjuntamente una planta de fabricación de celdas de batería con una capacidad de producción anual de 27 gigavatios hora. 

Anteriormente, en 2022, Samsung SDI Co., el sexto mayor fabricante de baterías del mundo, y el fabricante de automóviles multinacional con sede en los Países Bajos, Stellantis N.V (STLA )., eligieron el estado de Indiana como sitio para una planta conjunta de baterías para vehículos eléctricos en EE. U. U. 

El fabricante tenía como objetivo producir 23 gigavatios hora (GWh) de celdas y módulos de batería prismáticos al año, según el plan para la primera mitad de 2025 para las fábricas de automóviles de Stellantis en Norteamérica. 

En cuanto a la producción de baterías, Samsung SDI ofrece una variedad de soluciones, incluyendo vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía, micromovilidad, dispositivos de potencia y dispositivos de TI. 

Para EVs y PHEVs, la compañía fabrica baterías de alta capacidad, alta densidad energética y carga rápida, liderando la producción masiva de baterías de estado sólido. Para soluciones de almacenamiento de energía, Samsung SDI ofrece productos de batería que van desde soluciones domésticas y de servicios públicos, comerciales e industriales integradas con fuentes de energía renovable hasta soluciones de alimentación ininterrumpida (UPS).

En micromovilidad, Samsung SDI fabrica baterías para transporte de última milla pequeño y ligero, como e‑kickboards, e‑bikes y e‑scooters. En este segmento, la compañía aprovecha materiales y tecnologías de componentes de alto nivel para crear las mejores baterías disponibles. 

Para e‑bikes, Samsung SDI fabrica baterías con alta densidad energética y seguridad. Estas baterías son más delgadas y ligeras. 

Para vehículos eléctricos de dos ruedas, como e‑scooters y e‑motocicletas, Samsung SDI desarrolla baterías cilíndricas. Estas baterías están construidas con materiales de alta capacidad, diseños estructurales únicos y calidad constante, lo que las hace seguras y aptas para un rendimiento superior, larga vida útil y seguridad. 

Para dispositivos de potencia, Samsung SDI tiene baterías de alta salida y alta capacidad. También ofrece soluciones óptimas de baterías OPE con alta densidad energética, salida de potencia estable y larga vida útil. Además, fabrica baterías con capacidad y salida diferenciadas. Finalmente, Samsung SDI también produce baterías de alto rendimiento y larga vida para dispositivos de TI, incluidos smartphones y wearables. 

A finales de enero de 2025, Samsung anunció los resultados del cuarto trimestre y del año completo 2024 con KRW 16,59 billones ($11,55 mil millones) en ingresos anuales y KRW 363,3 mil millones en beneficio operativo anual en medio de una desaceleración del mercado. En el cuarto trimestre, los ingresos de la compañía fueron KRW 3,75 billones, registrando un ingreso récord en el negocio de baterías ESS.

2. LG Energy Solutions

En diciembre de 2024, LG Energy Solutions entabló conversaciones con JSW Energy (JSWENERGY.BO ) de la India para fabricar baterías para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable en una empresa conjunta que requeriría una inversión de más de 1,5 mil millones de dólares. Según informes públicos, las dos compañías firmaron un acuerdo inicial para formar una asociación equitativa en la que LGES aportará la tecnología y el equipamiento para fabricar baterías, y JSW invertirá dinero, según una de las fuentes.

En general, la compañía es conocida por las baterías de Solución de Almacenamiento de Energía (ESS) y baterías automotrices avanzadas. La división ESS ofrece productos de alta energía y alta salida para redes eléctricas y productos domésticos diversificados. Estas baterías se producen con tecnología de celdas de batería de primera categoría derivada de la aplicación de conocimientos avanzados de procesos de laminación y apilamiento, una tecnología propietaria de LG.

Estas baterías ofrecen una salida de energía uniforme, larga vida útil y estructura estable. Las baterías LG ESS también tienen una mayor eficiencia espacial gracias a su tamaño compacto. Al aplicar celdas de batería de polímero ultra delgadas y de alta capacidad en el desarrollo de ESS de red y residencial, la compañía produce productos delgados que maximizan la utilización del espacio y requieren una mínima área de instalación. 

LG Energy Solutions también es el principal proveedor de celdas, módulos, BMS (Sistema de Gestión de Baterías) y productos de paquetes para baterías de vehículos eléctricos. Las soluciones incluyen baterías de alta densidad energética que son ligeras y se cargan rápidamente.

Las diversas dimensiones en que vienen estas baterías garantizan la maximización del espacio al resolver el problema de la disponibilidad limitada de espacio en vehículos comerciales. Las celdas tipo pouch pueden producirse en varias longitudes y anchuras y son propicias para mejorar la capacidad de la batería y permitir la optimización. 

En la última semana de enero de 2025, LG Energy Solution anunció sus resultados del cuarto trimestre y del año completo. Para el año completo, la compañía reportó KRW 25,6 billones en ingresos consolidados y KRW 575,4 mil millones en beneficio operativo, una disminución interanual del 24,1 % y 73,4 % respectivamente. El margen de beneficio operativo fue del 2,2 %, incluyendo el efecto del crédito fiscal IRA.

El futuro de las baterías

El futuro de la tecnología de baterías y la gestión de baterías intentará mejoras en múltiples áreas. Buscará una mayor energía específica y densidad energética (más energía almacenada por volumen/peso), mayor vida útil, menor inflamabilidad, menor tiempo necesario para cargar completamente la batería y una reducción del costo nivelado de energía (LOCE). 

Los investigadores han examinado la trayectoria tecnológica de las baterías de ion de litio para el período 2019‑2030. Mencionaron cuatro tipos probables de configuraciones tecnológicas: ion de litio convencional, ánodo Gr‑Si o cátodo Hi‑Ni, baterías de estado sólido y litio‑azufre/aire. Los números sugieren que las nuevas tecnologías de baterías están listas para superar al ion de litio convencional en la próxima década. 

La aparición de nuevas tecnologías de baterías reconsiderará la elección de materiales de cátodo y ánodo. Por ejemplo, una batería que utiliza un cátodo LFP tiene una densidad energética inferior a la que utiliza NMC. La selección del material del cátodo es importante ya que afecta significativamente la energía específica a nivel de celda completa.

La elección del material del ánodo también es vital. El material del ánodo, típicamente grafito, brinda espacio para que los iones de litio permanezcan cuando la batería está cargada. La cantidad de iones de litio almacenados está directamente vinculada a cuánta energía eléctrica se almacena.

Los investigadores observan una transición gradual en la tecnología de cátodos, pasando de un porcentaje típico de Ni del 50 % hacia el 80 % y 90 % respectivamente para baterías NMC y NCA. Para cumplir con las necesidades de capacidad proporcionadas por los cátodos de alto porcentaje de Ni, añadir una pequeña cantidad de óxidos de silicio o silicio puro en los ánodos de grafito está ganando favor entre los fabricantes de celdas, según indican los informes.

Las cinco nuevas tecnologías de baterías que se espera redefinir el futuro involucran baterías de litio‑tungsteno NanoBolt, baterías de óxido de zinc‑manganeso, baterías de electrolito organosilícico, baterías de electrolito de gel de nanohilos de oro y baterías TankTwo String Cell™. 

Las baterías de litio‑tungsteno NanoBolt, por ejemplo, se cargan más rápido y almacenan más energía. Las baterías de óxido de zinc‑manganeso pueden funcionar eficazmente como una alternativa a las baterías de ion de litio y de plomo‑ácido, especialmente para almacenamiento de energía a gran escala que respalde las redes eléctricas nacionales. 

Los profesores de química de la Universidad de Wisconsin‑Madison, Robert Hamers y Robert West, han desarrollado solventes líquidos basados en organosilicio (OS) que pueden ser diseñados a nivel molecular para los mercados industriales, militares y de consumo de baterías de ion de litio.

Mientras experimentaban con geles, que no son tan combustibles como los líquidos, investigadores de la Universidad de California, Irvine, intentaron recubrir nanohilos de oro con dióxido de manganeso y luego cubrirlos con gel electrolítico.

Aunque los nanohilos suelen ser demasiado delicados para usar en baterías, estas soluciones se han vuelto resistentes, y el electrodo resultante, descubrieron los investigadores, pasó por 200 000 ciclos sin perder su capacidad de retener carga. En comparación, una batería convencional alcanza 6 000 ciclos.

La batería String Cell™ contenía una colección de pequeñas celdas independientes auto‑organizadas. Cada celda string consistía en un recinto de plástico cubierto con un material conductor que le permitía formar contacto rápidamente con otras. Una unidad de procesamiento interna controlaba las conexiones en la celda electroquímica.

Para facilitar la carga rápida de un VE, las pequeñas bolas contenidas en la batería fueron extraídas y sustituidas por celdas recargadas en la estación de servicio. En la estación, las celdas podían recargarse en horarios de baja demanda.

Con todas estas soluciones a nuestra disposición, varios avances en baterías nos esperan en el futuro.