La científica de SLAC, Johanna Nelson Weker, está trabajando en una línea de luz dentro del SSRL que se centra en la investigación de baterías. Crédito: (Jacqueline Ramseyer Orrell/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC)
Durante la última década, la científica de SLAC, Johanna Nelson Weker, ha observado cómo se cargaban, descargaban y finalmente se agotaban cientos de baterías. La investigación de su equipo ha mejorado la comprensión de la confiabilidad de la batería. Se necesitan baterías más confiables para alimentar más cosas que nunca, incluidas instalaciones de almacenamiento de electricidad, automóviles, camiones e incluso sopladores de hojas.
Pero la historia de la proliferación de baterías no puede centrarse principalmente en el rendimiento, dice Nelson Weker. La industria ha llegado a otra bifurcación importante en el camino: cómo construir baterías utilizando materiales abundantes y de origen ético. El tipo de batería más común hoy en día, de iones de litio, requiere materiales que pueden ser difíciles de conseguir, y algunos han documentado preocupaciones de derechos humanos sobre las prácticas mineras fuera de los EE. UU.
El equipo de Nelson Weker en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía se centra actualmente en encontrar formas de diseñar baterías que utilicen materiales alternativos como zinc y manganeso en lugar de litio y cobalto. Lo hacen en el laboratorio de fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL), específicamente inyectando muestras de material de batería con los rayos X brillantes y potentes del objeto. Los rayos X permiten a los científicos comprender el comportamiento atómico de las baterías cuando se cargan y descargan electricidad.
En esta sesión de preguntas y respuestas, Nelson Weker nos cuenta cómo podría ser el futuro del diseño de baterías.
¿Cuál es la urgente necesidad de diseñar baterías más sostenibles?
Hemos llegado al punto en que sabemos cómo fabricar buenas baterías que funcionan bien en muchas aplicaciones, como conducir un vehículo eléctrico. Por lo tanto, no es necesario demostrar que las baterías pueden mantenerse a la altura de otras fuentes de energía en términos de rendimiento.
Ahora queremos construirlos de una manera aún más sostenible, por ejemplo, utilizando materiales ampliamente disponibles en lugar de litio y cobalto, que son recursos más limitados.
Además, los consumidores están siendo educados sobre el impacto ambiental de construir algo como un vehículo eléctrico y quieren ayudar a reducir los desechos, aumentar la reciclabilidad y eliminar los químicos tóxicos de las baterías. Aquí es donde el uso de materiales de batería más comunes, como el zinc y el manganeso, se vuelve crítico. Pueden reducir el impacto negativo de los materiales de minería.
¿En qué proyectos de investigación de baterías está trabajando?
Tenemos varios proyectos centrales, el primero de los cuales es encontrar formas de reducir la cantidad de cobalto en las baterías de los vehículos eléctricos. El cobalto es un recurso difícil de extraer y existen problemas sociales y políticos asociados con su extracción. Queremos desarrollar una batería de vehículo eléctrico que necesite poco o nada de cobalto, pero que pueda cargarse rápidamente como una batería de vehículo eléctrico normal. La gente quiere vehículos eléctricos de carga rápida, por lo que mantener esa capacidad es fundamental.
El segundo proyecto implica el uso de sales de roca desordenadas en el cátodo o terminal positivo de la batería. Las sales de roca desordenadas (DRX) tienen una estructura atómica más aleatoria que los cátodos tradicionales y pueden reducir o eliminar la necesidad de cobalto y níquel en el cátodo. Estamos trabajando con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y nuestro primer problema a resolver es por qué solo algunos DRX actúan como cátodos. En SLAC, planeamos usar SSRL para estudiar la composición química de las estructuras DRX para comprender el proceso de síntesis del producto final. A veces intentas sintetizar un material como DRX y no obtienes las proporciones de los diferentes elementos que buscabas.
También estamos considerando cómo diseñar una batería que use zinc o azufre. El azufre es un elemento que se encuentra en la supertierra. De hecho, es un subproducto de la industria petrolera, donde se considera un desecho.
¿Estos diseños de batería alternativos también podrían mejorar el rendimiento?
No necesariamente, y eso está bien. Creemos que la eficiencia no debe ser la única variable de diseño clave si queremos que las baterías sean más útiles en toda la sociedad.
Por lo tanto, nuestro principal objetivo es diseñar baterías que funcionen igual que las populares baterías de iones de litio, pero a partir de materiales que estén ampliamente disponibles y extraídos de una manera más ética.
¿Qué otros materiales alternativos estás considerando?
El zinc es uno de mis favoritos porque utiliza un ion polivalente, lo que significa que puede proporcionar dos electrones durante el proceso de descarga de la batería, mientras que el litio solo proporciona un electrón. El zinc también funciona con electrolitos a base de agua para reducir el riesgo de incendio asociado con las baterías. Esto lo convierte en una excelente opción para el almacenamiento de energía en grandes redes.
La contrapartida es que el zinc es más pesado que el litio, lo que significa que aumentaría el peso total de algo así como un vehículo eléctrico. Hay muchas oportunidades de mejora con las baterías de zinc, como sucedió con las baterías de iones de litio hace 20 años. Las baterías de zinc también se reciclan con más frecuencia que las baterías de litio. Esa es una buena ventaja adicional: ya existe un mecanismo de reciclaje para las baterías de zinc.
¿Cómo ayudan las pruebas de rayos X en SSRL a su equipo a investigar baterías?
En SSRL podemos estudiar las estructuras atómicas de las baterías y el movimiento de sus iones y electrones durante su manipulación. Esto nos permite observar el funcionamiento de las baterías durante muchos ciclos e identificar qué provoca que se desgasten y fallen.
También podemos observar la síntesis de los componentes de la batería: todas las fases químicas intermedias que ocurren en las reacciones de la batería. El mapeo de los pasos intermedios proporciona una comprensión más profunda de cómo se puede mejorar la síntesis del material de la batería.
¿Tiene un descubrimiento de batería favorito en SSRL?
Esa es una pregunta difícil porque la investigación es una serie de pequeñas victorias en lugar de momentos discretos. Creo que en algún momento confirmamos que podíamos usar la difracción de rayos X para mapear el revestimiento de metal de litio, que puede causar que las baterías funcionen mal, sin tener que desmontarlas. Por lo general, para confirmar el revestimiento de litio, los científicos desarman las baterías para inspeccionarlas visualmente.
¿Qué es lo que más le emociona en la investigación de baterías en los próximos cinco años?
Obtención de más materiales catódicos. Es importante que no solo persigamos más capacidad y rendimiento. Nuevamente, tratamos de pensar en todas las demás cosas que importan al diseñar una mejor batería o lo que sea.
También estoy emocionado de ver que la industria se enfoca en la tecnología de almacenamiento de energía estacionaria. Históricamente, la investigación de las baterías de iones de litio ha sido impulsada por la electrónica de consumo. Luego, en los últimos 10 años, ha sido expulsado por los vehículos eléctricos. Ahora es finalmente el momento en que el empujón no viene de esas dos cosas. Esto resultará de la necesidad de almacenamiento de energía a largo plazo.