Energía
Anodos de carbono endurecido con estaño preparan el escenario para baterías de próxima generación
A medida que el mundo se dirige hacia la electrificación para aumentar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la demanda de baterías está creciendo significativamente.
En particular, hay una demanda de baterías que pueden cargar ultra-rápidamente y tienen alta densidad de energía en varios sectores, incluidos vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala (ESS), lo que está impulsando una investigación extensiva sobre tecnologías de baterías avanzadas.
Lo que esto requiere es materiales de ánodo avanzados con un rendimiento mejorado, lo cual es exactamente lo que el nuevo estudio ha logrado con su avance.
Un equipo de investigación conjunto, apoyado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía y el Ministerio de Ciencia y TIC de Corea, ha desarrollado un material de ánodo prometedor y futurista1 que exhibe capacidades para abordar las necesidades cruciales de las baterías.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) y el Instituto de Investigación de Energía de Corea (KIER) colaboraron para desarrollar un ánodo de alta densidad de energía utilizando carbono endurecido y nanopartículas de estaño.
Introdujeron nanopuntos de estaño (Sn) recubiertos de carbono endurecido (HCSN) como un compuesto de ánodo versátil para baterías de iones de litio (LIBs) y baterías de iones de sodio (SIBs) para abordar los desafíos actuales con baterías convencionales.
Innovaciones en ánodos de carbono en LIBs y SIBs
Los materiales a base de carbono se utilizan ampliamente y se aceptan como soluciones prometedoras para ánodos en LIBs para mejorar su rendimiento electroquímico, que es básicamente la capacidad de la batería para almacenar y liberar energía de manera eficiente y segura.
Desde carbono blando, carbono endurecido y grafito hasta diversas nanoestructuras de carbono, los investigadores han emprendido innovaciones en diferentes tipos de materiales de carbono para mejorar las baterías convencionales.
Actualmente, las baterías de iones de litio (LIBs) son la química de batería más adoptada. Las LIBs son baterías recargables que almacenan energía moviendo iones de litio entre el cátodo y el ánodo durante la carga y la descarga, y son conocidas por su alta densidad de energía y larga vida útil. Estas baterías se utilizan ampliamente en electrónica portátil, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.
Sin embargo, el rendimiento de las LIBs ha alcanzado su límite, que está limitado por los electrodos de ánodo. No mencionar, el elemento sólido más ligero, el litio (Li), es escaso, enfrenta costos en aumento y su minería tiene un impacto ambiental negativo.
Esto, junto con la necesidad de soluciones de almacenamiento de energía neutrales en carbono, ha llevado a la exploración de tecnologías suplementarias, lo que ha resultado en la aparición de baterías de iones de sodio (SIBs).
El sodio (Na) es un metal blando y plateado, que es el sexto elemento más abundante en la Tierra. Este metal alcalino más común constituye el 2,8% de la corteza terrestre. Esto se traduce en rentabilidad.
Para avanzar en tecnologías de baterías recargables, el desarrollo de materiales de ánodo juega un papel importante. Para desarrollar materiales de ánodo para baterías de iones de litio y iones de sodio, el carbono endurecido (HC) ha surgido como un candidato prometedor gracias a su capacidad para operar en entornos extremos.
El carbono endurecido es un material de baja densidad que no se puede convertir fácilmente en grafito, incluso a altas temperaturas. Cuenta con bajo costo, alta abundancia natural y buenos rendimientos.
Además, el carbono endurecido es un material desordenado con microporosidad y vías extremadamente altas, lo que facilita la difusión rápida de iones de litio y sodio. Esto le permite tener robustez mecánica y alta capacidad de almacenamiento de energía, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta tasa y larga vida.
Otro material de ánodo comúnmente utilizado es el grafito, una forma de carbono que es suave, flexible, barata y exhibe buena conductividad eléctrica. Aunque ofrece estabilidad estructural robusta, tiene una capacidad teórica baja y tasas de carga y descarga lentas.
Para superar estas limitaciones, los investigadores crearon un nuevo diseño de electrodo que combina carbono endurecido (HC) con estaño (Sn), que se detalló en la revista ACS Nano.
Un ánodo para alta potencia, energía y estabilidad
El estaño o estanio es un elemento químico que pertenece a la familia del carbono. Este metal de color plateado es muy suave y se puede doblar o cortar a mano con poco esfuerzo. Muestra un gran potencial como material de ánodo gracias a sus altas capacidades volumétricas, bajo costo, alta seguridad y mínimo impacto ambiental.
Sin embargo, incorporar estaño presentó un desafío. Para mejorar la estabilidad general, necesitamos partículas de estaño muy finas. Cuanto más pequeñas sean, más efectiva será la reducción de la expansión volumétrica problemática durante el ciclo, lo que a su vez mejora la estabilidad.
Pero el problema aquí es el bajo punto de fusión del estaño, alrededor de 230 grados Celsius, lo que hace difícil sintetizar partículas pequeñas.
El equipo abordó este problema en particular a través del proceso de sol-gel, seguido de una reducción térmica controlada. Esto incorporó con éxito nanopartículas de estaño sub-10 nm distribuidas uniformemente dentro de la matriz de carbono endurecido.
La estructura compuesta que surgió demostró una sinergia funcional más allá de la simple mezcla física.
Aquí, las nanopartículas de Sn actuaron como materiales activos y también sirvieron como catalizadores para la cristalización del carbono endurecido circundante. La formación reversible de enlaces Sn-O (estaño-oxígeno) durante el ciclo electroquímico, mientras tanto, contribuyó al aumento gradual de la capacidad de la batería a través de reacciones de conversión.
El nuevo electrodo desarrollado, HCSN700, exhibió un excelente rendimiento en celdas de iones de litio. El estudio señaló que mantuvo una operación estable durante 1.500 ciclos en condiciones de carga rápida de 20 minutos. El electrodo también logró una densidad de energía volumétrica 1,5 veces mayor en comparación con los ánodos de grafito tradicionales.
Esto representa la integración exitosa de alta potencia, alta energía y larga durabilidad en un solo electrodo.
“Esta investigación representa un nuevo hito en el desarrollo de baterías de alto rendimiento de próxima generación y tiene un gran potencial para aplicaciones en vehículos eléctricos, sistemas híbridos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala”.
– Profesor Soojin Park de POSTECH
Además, el electrodo demostró un rendimiento destacado en baterías de iones de sodio.
Por lo general, los iones de sodio exhiben una mala reactividad con materiales de ánodo convencionales, como grafito o silicio. Pero la estructura nano-compuesta de estaño y carbono endurecido en este estudio mantuvo una excelente operación a largo plazo y cinética rápida incluso en entornos de sodio, enfatizando la versatilidad de HCSN700 en múltiples plataformas de baterías.
“La realización de un ánodo con alta potencia, estabilidad y densidad de energía, junto con su compatibilidad con sistemas de iones de sodio, marca un punto de inflexión en el mercado de baterías recargables”.
– Dr. Gyujin Song de KIER
En general, el trabajo destaca el potencial de HCSN700 para aplicaciones de alta potencia y densidad de energía volumétrica en sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación, según el estudio.
Investigación de baterías de vanguardia que dan forma al futuro
Dada la función que desempeñan las baterías en el futuro de los vehículos eléctricos, el almacenamiento de energía y la tendencia general de electrificación, la competencia y la innovación están impulsando la búsqueda de baterías con un mejor rendimiento y menores costos.
Los investigadores y las empresas están explorando activamente nuevas tecnologías de ánodo, cátodo y electrolito para desarrollar la próxima generación de baterías. Así que aquí hay algunos estudios más interesantes y emocionantes que se publicaron este año:
Una batería líquida que puede tomar cualquier forma
Como compartimos recientemente, los investigadores de la Universidad de Linköping han desarrollado una batería que puede tomar cualquier forma utilizando electrodos en forma líquida. Esto permite que la batería suave y maleable se integre en tecnologías futuras, como wearables de próxima generación, de una manera completamente nueva.
Interesantemente, tener una textura similar a la pasta de dientes permite que el material se utilice en una impresora 3D, lo que permite darle forma a la batería según sea deseado. El nuevo enfoque aquí implica convertir los electrodos de una forma sólida a líquida utilizando plásticos conductores y lignina. Como resultado, la batería se puede estirar hasta el doble de su longitud y aún puede recargarse y descargarse más de 500 veces, manteniendo su rendimiento.
Usar maíz para mejorar el rendimiento de la batería
Los investigadores de la Universidad Estatal de Washington han desarrollado una forma de utilizar proteínas de maíz para mejorar el rendimiento de las baterías de litio y azufre. Estas baterías son más ligeras para la misma cantidad de energía que las LIBs, pero enfrentan obstáculos tecnológicos que reducen su vida útil. Esto incluye la parte de azufre que se filtra y migra hacia el lado de litio, lo que hace que la batería deje de funcionar, y la formación de dendritas en el lado de litio, lo que conduce a un cortocircuito eléctrico.
Así que los investigadores crearon una barrera protectora (separador) a partir de proteínas de maíz junto con plástico comúnmente utilizado, lo que evitó ambos problemas y permitió que la batería mantuviera su carga durante más de 500 ciclos. Además, la proteína de maíz es natural, abundante y sostenible.
Pero como la proteína es “una estructura muy complicada”, los investigadores están estudiando cómo funciona el proceso y cómo se puede optimizar.
Un equipo de investigadores del Instituto de Química Física de Dalian de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Marítima de Dalian, mientras tanto, propuso agregar un mediador redox y una sal de imidazol yoduro novedosa (1,3-dimetilimidazol yoduro, DMII) para mejorar el rendimiento y la vida útil de las baterías de litio y aire (Li-O2).
Otra guía proviene de Weiyu Li, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Wisconsin-Madison, quien utilizó un modelo computacional para comprender qué causa que las baterías de iones de litio fallen: el revestimiento de litio. El modelo proporciona una forma de investigar su inicio en un rango más amplio de condiciones, lo que ayuda a determinar la forma óptima de ajustar las densidades de corriente durante la carga para evitarlo.
Empresa innovadora
Microvast Holdings (MVST )
Microvast es una empresa de tecnología de baterías avanzadas con sede en Texas que diseña y fabrica componentes y sistemas de baterías para vehículos comerciales eléctricos, como autobuses, trenes y camiones, así como para sistemas de almacenamiento de energía a gran escala (ESS). Las tecnologías propietarias de la empresa van desde ánodos, cátodos, separadores y electrolitos hasta sistemas de enfriamiento y software de control.
Las soluciones de baterías de iones de litio de la empresa ofrecen capacidades de carga ultra-rápidas que pueden alcanzar una recarga completa en 10 minutos, una vida útil más larga para reducir el costo de propiedad y apoyar la sostenibilidad, y pruebas de terceros para garantizar la calidad. Además, utilizan componentes de batería superiores, gestión de batería avanzada y sistemas de gestión térmica para la seguridad.
La solución de batería de iones de litio está disponible para furgonetas, vehículos guiados automatizados (AGV), autobuses urbanos y de largo recorrido, camiones ligeros, medianos y pesados, equipo de minería, agricultura, construcción y movimiento de tierras (ACE), así como para aplicaciones marinas, ferroviarias y aeronáuticas.
En cuanto a los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala (ESS), las soluciones de Microvast almacenan la energía generada por fuentes solares o eólicas y la envían a la red cuando se necesite, lo que aumenta el rendimiento, la resistencia y la confiabilidad de la red. Incluye un contenedor de batería de 20 pies con una densidad de energía de 4,3 MWh, una vida útil de la batería mayor que 10.000 ciclos y sistemas de supresión de incendios de última generación.
Además, Microvast tiene un sistema de gestión de batería (BMS) propietario, BMS 5.0, que monitorea la corriente de la batería, las temperaturas de los módulos y los voltajes de las celdas.
En cuanto a la estrategia empresarial de Microvast, se centra en innovaciones de producción, una participación más profunda en la economía de la cadena de suministro de baterías y la entrada en nuevos segmentos con nuevos productos para diversificar los flujos de ingresos.
Para expandir su negocio, la empresa está trabajando en agregar capacidad de producción para satisfacer la creciente demanda de los clientes, optimizar su negocio principal para lograr una rentabilidad sostenida y expandirse a través del crecimiento geográfico y de mercado.
Ahora, con una capitalización de mercado de $757,7 millones, las acciones de Microvast se negocian a $2,32, un aumento del 2,50% este año hasta ahora. Con eso, tiene un EPS (TTM) de -0,62 y un P/E (TTM) de -3,77.
(MVST )
Las finanzas de la empresa, mientras tanto, informan un crecimiento significativo en los ingresos y la margen bruta para el año fiscal 2024, que estuvo marcado por desarrollos operativos y estratégicos. En el último año, Microvast informó un récord de ingresos de $379,8 millones, un aumento del 23,9% con respecto al año anterior. Su margen bruto también mejoró al 31,5%, un aumento significativo con respecto al 18,7%.
Este crecimiento se logró en Europa, Medio Oriente y África (EMEA), que espera continuar creciendo en 2025.” En APAC, la expansión de Huzhou Phase 3.2 de la empresa está en marcha para satisfacer la creciente demanda de los clientes a medida que Microvast prioriza “descubrir nuevas oportunidades y segmentos de mercado”.
La pérdida neta, sin embargo, aumentó a $195,5 millones o $0,61 por acción. Su backlog, creciendo a $401,3 millones, refleja una fuerte demanda de su tecnología. Los gastos de capital fueron $49,9 millones.
Microvast terminó 2024 con $109,6 millones en efectivo, equivalentes de efectivo, efectivo restringido y inversiones a corto plazo.
Este año, la empresa tiene como objetivo un crecimiento de los ingresos del 18% al 25%, alcanzando $450 millones a $475 millones, y una margen bruta del 30%. Además, el enfoque principal para 2025 implica convertirse en una empresa con flujo de caja positivo y lograr un alto crecimiento de las ventas a través de la innovación continua, la captura de nuevos mercados y la expansión de la capacidad.
Microvast ya ha anunciado un hito significativo en el desarrollo de su tecnología de batería de estado sólido (ASSB) este año. Su ASSB elimina los electrolitos líquidos por completo y utiliza un marco de apilamiento bipolar. Esta innovación, según el CEO Yang Wu, “representa un avance significativo en la resolución de desafíos de seguridad y eficiencia en el mundo real”.
Lo más importante es que su forma flexible y configuración de voltaje permiten que las baterías se personalicen para satisfacer los requisitos específicos de los sistemas robóticos avanzados, lo que hace que el ASSB sea un conductor importante para aplicaciones de inteligencia artificial impulsadas en el futuro.
Conclusión
La creciente demanda de electrónica portátil, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala ha llevado a un rápido avance en la tecnología de baterías, lo que ha resultado en el desarrollo y la investigación de baterías recargables de próxima generación, que presentan alta densidad de energía, rentabilidad y sostenibilidad ambiental.
El estudio más reciente, que combina nanopartículas de estaño con matrices de carbono endurecido, ha logrado un avance importante al abordar las limitaciones de los materiales de ánodo tradicionales y ofrecer una mejor densidad de energía, capacidades de carga más rápidas y una mayor estabilidad de ciclo. Estos beneficios, combinados con su versatilidad, hacen que el nuevo ánodo sea muy prometedor para la tecnología de baterías de próxima generación.
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Estudios referenciados:
1. Choi, S., Han, D.-Y., Bok, T., Hwang, C., Kwak, M.-J., Yim, J.-H., Song, G., & Park, S. (2025). Nanopuntos de estaño catalíticos en estructuras de carbono endurecido para baterías de alta densidad de energía y potencia. ACS Nano, 19(10), 10476–10488. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00528
