Recientemente,
hablamos sobre la historia de la invención de las baterías de iones de litio, que dieron un poderoso impulso al desarrollo de la electrónica portátil. Cada año, los medios tecnológicos nos informan sobre la próxima revolución energética, solo un poco, otro año o dos, y el mundo verá baterías con características fantásticas. A medida que pasa el tiempo y la revolución no es visible, en nuestros teléfonos, computadoras portátiles, cuadricópteros, autos eléctricos y relojes inteligentes, todavía se instalan varias modificaciones de las baterías de iones de litio. Entonces, ¿a dónde fueron todas las baterías innovadoras y hay alguna alternativa al Li-Ion?
¿Cuándo esperar la revolución de la batería?
Es una pena molestarte, pero ya pasó. Solo se extendió por un par de décadas y, por lo tanto, pasó casi desapercibido. El hecho es que la invención de las baterías de iones de litio fue la culminación de la evolución de las baterías químicas.
Las fuentes de corriente química se basan en una reacción redox entre elementos. En la tabla periódica solo hay 90 elementos naturales que pueden participar en dicha reacción. Entonces, el litio resultó ser un metal con características extremas: la masa más baja, el potencial de electrodo más bajo (–3.05 V) y la carga de corriente más alta (3.83 A · h / g).
El litio es la mejor sustancia activa del cátodo en la Tierra. El uso de otros elementos puede mejorar una característica e inevitablemente empeorar otra. Es por eso que los experimentos con baterías de litio se llevan a cabo desde hace 30 años: al combinar materiales, entre los cuales siempre hay litio, los investigadores crean tipos de baterías con las características necesarias que encuentran una aplicación muy limitada. La buena batería antigua con un cátodo de óxido de cobalto de litio, que nos llegó desde los años 80 del siglo pasado, todavía puede considerarse la más común y universal debido a la excelente combinación de voltaje, carga de corriente y densidad de energía.
Por lo tanto, cuando la próxima puesta en marcha a través de los medios de comunicación promete en voz alta al mundo una revolución energética día a día, los científicos guardan un silencio moderado sobre el hecho de que las baterías nuevas tienen algunos problemas y limitaciones que aún no se han resuelto. Por lo general, no se pueden resolver.
El principal problema de las baterías "revolucionarias"
Hoy en día, hay muchos tipos de baterías con diferentes composiciones químicas, incluso sin el uso de litio. Cada uno de los tipos con sus propias características ha encontrado su aplicación en cierto tipo de tecnología. Las baterías de litio-cobalto livianas, delgadas y de alto voltaje se han prescrito durante mucho tiempo en teléfonos inteligentes compactos. Resistentes, potentes, pero las baterías de titanato de litio de gran tamaño caben en el transporte público. Y las celdas de fosfato de litio ignífugas de baja capacidad se utilizan como grandes conjuntos en plantas de energía.
Pero aún así, son las baterías de litio-cobalto para equipos móviles de consumo las que tienen más demanda. El criterio principal que cumplen es un alto voltaje de 3.6 V mientras se mantiene una alta intensidad de energía por unidad de volumen. Desafortunadamente, muchos tipos alternativos de baterías de litio tienen un voltaje mucho más bajo, inferior a 3.0 V e incluso inferior a 2.0 V, desde el cual es imposible alimentar un teléfono inteligente moderno.
La subsidencia de cualquiera de las características se puede compensar combinando las baterías en celdas, pero luego las dimensiones crecen. Por lo tanto, si la próxima batería prometedora con características milagrosas no es adecuada para su uso en equipos móviles o vehículos eléctricos, es casi seguro que su futuro estará predeterminado. ¿Por qué necesitamos una batería con una vida útil de 100 mil ciclos y carga rápida, de la cual solo puede usar un reloj de pulsera con manos?
Experimentos fallidos
No todas las baterías descritas a continuación pueden considerarse infructuosas: algunas requieren un desarrollo muy largo, otras pueden encontrar su aplicación no en teléfonos inteligentes, sino en equipos especializados. Sin embargo, todos estos desarrollos se posicionaron como un reemplazo para las baterías de iones de litio en los teléfonos inteligentes.
En 2007, Leyden Energy, una startup estadounidense, recibió $ 4.5 millones en inversiones de varios fondos de capital de riesgo para crear, como afirmaron, una
nueva generación de baterías de iones de litio . La compañía utilizó un nuevo electrolito (solvente en sal) y un cátodo de silicio, que aumentó significativamente la intensidad de energía y la resistencia a altas temperaturas de hasta 300 ° C. Los intentos de fabricar baterías para computadoras portátiles basadas en el desarrollo fracasaron, por lo que Leyden Energy se trasladó al mercado de automóviles eléctricos.
A pesar de la infusión constante de decenas de millones de dólares, la compañía no pudo establecer la producción de baterías con características estables: los indicadores flotaban de copia en copia. Si la compañía tuviera más tiempo y financiamiento, quizás en 2012 no tendría que vender equipos, patentes y pasar a depender de otra compañía de energía, A123 Systems.
Las baterías de metal de litio no son nuevas: incluyen cualquier batería de litio no recargable. SolidEnergy se ha propuesto crear celdas recargables de litio metálico. El nuevo producto tenía el doble de intensidad energética en comparación con las baterías de litio-cobalto. Es decir, en el volumen anterior era posible ajustar el doble de energía. En lugar de grafito tradicional en el cátodo, utilizaron papel de litio y metal. Hasta hace poco, las baterías de litio metálico eran extremadamente explosivas debido al crecimiento de las dendritas (que crecían en el ánodo y el cátodo de las formaciones de metales leñosos), lo que condujo a un corto circuito, pero la adición de azufre y fósforo al electrolito ayudó a eliminar las dendritas (aunque SolidEnergy aún no tiene la tecnología ) Además del alto precio, uno de los problemas conocidos de las baterías SolidEnergy es una carga prolongada: 20% de la capacidad por hora.
Comparación de los tamaños de las baterías de litio-metal y de iones de litio de igual capacidad. Fuente: Sistemas SolidEnergy
El trabajo activo sobre
los elementos de azufre y magnesio comenzó en la década de 2010, cuando Toyota anunció una investigación en esta área. El ánodo en tales baterías es magnesio (un análogo de litio bueno, pero no equivalente), el cátodo consiste en azufre y grafito, y el electrolito es una solución salina común de NaCl. El problema con el electrolito es que destruye el azufre y hace que la batería no funcione, por lo que tuvo que llenar el electrolito inmediatamente antes de usarlo.
Los ingenieros de Toyota crearon un electrolito a partir de partículas no nucleófilas, no agresivas al azufre. Al final resultó que, una batería estabilizada sigue siendo imposible de usar durante mucho tiempo, ya que después de 50 ciclos su capacidad se reduce a la mitad. En 2015, se integró un aditivo de iones de litio en la batería y, después de otros dos años, se actualizó el electrolito, lo que llevó la vida útil de la batería a 110 ciclos. La única razón por la que el trabajo continúa con una batería tan cambiante es una alta intensidad de energía teórica (1722 Wh / kg). Pero puede resultar que para cuando aparezcan los prototipos exitosos, ya no se necesiten elementos de azufre y magnesio.
Generación en lugar de almacenamiento de energía.
Algunos investigadores proponen ir de lo contrario: no almacenar, sino generar energía directamente en el dispositivo. ¿Es posible convertir un teléfono inteligente en una pequeña central eléctrica? Durante la última década, ha habido varios intentos de eliminar la necesidad de recargar los dispositivos a través de la red eléctrica. A juzgar por cómo cargamos los teléfonos inteligentes ahora, los intentos no tuvieron éxito: recordemos los inventos más "exitosos".
Celda de combustible de descomposición directa de metanol (DFMC). Los intentos de introducir celdas de combustible de metanol en la tecnología móvil comenzaron a mediados de la década de 2000. En este momento, solo había una transición de teléfonos de botón de larga vida a teléfonos inteligentes exigentes con una pantalla grande: las baterías de iones de litio duraron un máximo de dos días, por lo que la idea de la recarga instantánea parecía muy atractiva.
En la celda de combustible, el metanol en la membrana del polímero, que actúa como un electrolito, se oxida a dióxido de carbono. El protón de hidrógeno pasa al cátodo, se combina con oxígeno y forma agua. Matiz: una reacción efectiva requiere una temperatura de aproximadamente 120 ° C, pero se puede reemplazar con un catalizador de platino, lo que naturalmente afecta el costo del elemento.
Resultó imposible colocar una celda de combustible en la caja del teléfono: el compartimiento de combustible resultó ser demasiado general. Por lo tanto, a fines de la década de 2000, la idea de DFMC tomó forma en forma de baterías portátiles (bancos de energía). En 2009, Toshiba lanzó un banco de energía de metanol en serie llamado Dynario. Pesaba 280 gy se parecía a las baterías portátiles modernas con un tamaño de 30,000 mAh, es decir, era del tamaño de una palma. El precio de Dynario en Japón fue de $ 328 impresionantes y otros $ 36 por un conjunto de cinco viales de 50 ml de metanol cada uno. Un "reabastecimiento de combustible" requiere 14 ml, su volumen fue suficiente para dos cargas de un teléfono de botón a través de USB con una corriente de 500 mA.
Video de repostaje y operación de Toshiba Dynario
Las cosas no fueron más allá del lanzamiento de un lote experimental de 3.000 copias, porque el banco de energía de combustible resultó ser demasiado controvertido: costoso en sí mismo, con consumibles caros y el alto costo de una carga telefónica (alrededor de $ 1 por un botón). Además, el metanol es tóxico y en algunos países requiere una licencia para vender e incluso comprar.
Paneles solares transparentes. Los paneles solares son una excelente solución para la extracción de la energía infinita (en nuestro siglo) del sol. Dichos paneles tienen una baja eficiencia a un alto costo y muy baja potencia, mientras que son la forma más fácil de generar electricidad. Pero el verdadero sueño de la humanidad son los paneles solares transparentes, que podrían instalarse en lugar de vidrio en las ventanas de casas, automóviles e invernaderos. Es decir, combine negocios con placer: generación de electricidad e iluminación natural del espacio. La buena noticia es que existen paneles solares transparentes. Lo malo es que son prácticamente inútiles.
El desarrollador y la Universidad de Michigan exhiben un panel transparente sin marco. Fuente: YouTube / Michigan State University
Para "captar" fotones de luz y convertirlos en electricidad, el panel solar, en principio, no puede ser transparente, pero el nuevo material transparente puede absorber la radiación UV e IR, convirtiendo todo al rango infrarrojo y eliminándolo a los bordes del panel. En los bordes del panel transparente, se instalan paneles fotovoltaicos de silicio ordinarios como marco, que captan la luz que se extrae en el rango infrarrojo y generan electricidad. El sistema funciona, solo con una eficiencia del 1-3% ... La eficiencia promedio de los paneles solares modernos es del 20%.
A pesar de la efectividad más que dudosa de la solución, el famoso fabricante de relojes TAG Heuer en 2014 anunció el teléfono de etiqueta premium Tag Heuer Meridiist Infinite, en el que se instaló un panel solar transparente fabricado por Wysis en la parte superior de la pantalla. Incluso durante el anuncio de la solución para teléfonos inteligentes, Wysis prometió la potencia de tal carga solar de aproximadamente 5 mW con 1 cm2 de pantalla, que es extremadamente pequeña. Por ejemplo, esto es solo 0.4 W para la pantalla del iPhone X. Dado que el adaptador completo del teléfono inteligente Apple es regañado por 5 W indecentemente bajo, está claro que no puede cargarlo con una potencia de 0.4 W.
Por cierto, no funcionaba con metanol, pero las celdas de combustible de hidrógeno recibieron un boleto a la vida, convirtiéndose en la base del automóvil eléctrico Toyota Mirai y las plantas de energía móvil de Toshiba.
Y lo que sucedió: experimentos exitosos con Li-Ion
Aquellos que no se apresuraron a cambiar el mundo a cualquier costo lograron el éxito, sino que simplemente trabajaron para mejorar las características individuales de las baterías. Cambiar el material del cátodo afecta en gran medida el voltaje, la intensidad de la energía y la vida útil de la batería. A continuación, hablaremos sobre los desarrollos habituales, que una vez más confirman la universalidad de la tecnología de iones de litio: para cada desarrollo "revolucionario" hay un análogo existente más eficiente y más barato.
Cobalto de litio (LiCoO2 o LCO). Tensión de funcionamiento: 3,6 V, consumo de energía de hasta 200 W · h / kg, vida útil de hasta 1000 ciclos. Ánodo de grafito, cátodo de óxido de litio y cobalto, batería clásica descrita anteriormente. Esta combinación se usa con mayor frecuencia en baterías para equipos móviles, donde se requiere un alto consumo de energía por unidad de volumen.
Litio Manganeso (LiMn2O4 o LMO). Voltaje de funcionamiento: 3.7 V, consumo de energía de hasta 150 W · h / kg, vida útil de hasta 700 ciclos. La primera composición alternativa efectiva se desarrolló incluso antes del inicio de las ventas de baterías de iones de litio como tales. En el cátodo, se usó espinela de litio-manganeso, lo que permitió reducir la resistencia interna y aumentar significativamente la corriente de salida. Las baterías de litio y manganeso se utilizan en equipos actuales exigentes, como herramientas eléctricas.
Litio-níquel-manganeso-cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC). Voltaje de operación: 3.7 V, consumo de energía hasta 220 W · h / kg, vida útil hasta 2000 ciclos. La combinación de níquel, manganeso y cobalto resultó ser muy exitosa, las baterías aumentaron tanto la intensidad energética como la potencia de la corriente dada. En los mismos "bancos", la capacidad de 18650 aumentó a 2800 mAh, y la corriente de salida máxima fue de hasta 20 A. Las baterías NMC están instaladas en la mayoría de los vehículos eléctricos, a veces diluyéndolas con celdas de litio-manganeso, ya que estas baterías tienen una larga vida útil.
El nuevo automóvil eléctrico con batería NMC Nissan Leaf según los cálculos del fabricante vivirá 22 años. La batería LMO anterior tenía menos capacidad y se agotó mucho más rápido. Fuente: Nissan
Fosfato de litio y hierro (LiFePO4 o LFP). Tensión de funcionamiento: 3,3 V, consumo de energía de hasta 120 W · h / kg, vida útil de hasta 2000 ciclos. Descubierta en 1996, la composición ayudó a aumentar el amperaje y aumentar el ciclo de vida de las baterías de iones de litio hasta 2000 cargas. Las baterías de fosfato de litio son más seguras que sus predecesoras, soportan mejor la sobrecarga. Esa es solo su intensidad de energía no es adecuada para equipos móviles: cuando el voltaje se eleva a 3.2 V, la intensidad de energía se reduce al menos a la mitad en relación con la composición de litio y cobalto. Pero, por otro lado, LFP muestra menos autodescarga y hay una resistencia especial a las bajas temperaturas.
Una serie de células de fosfato de litio con una capacidad total de 145,6 kWh. Tales conjuntos se utilizan para almacenar de forma segura la energía de los paneles solares. Fuente: Yo-Co-Man / Wikimedia
Óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (LiNiCoAlO2 o NCA). Voltaje de funcionamiento: 3,6 V, consumo de energía de hasta 260 W · h / kg, vida útil de hasta 500 ciclos. Muy similar a una batería NMC, tiene un excelente consumo de energía, adecuado para la mayoría de los equipos con un voltaje nominal de 3.6 V, pero el alto costo y la vida modesta (aproximadamente 500 ciclos de carga) no permiten que las baterías NCA derroten a los competidores. Hasta ahora, solo se usan en algunos vehículos eléctricos.
Enfrentamiento del Lugar Santísimo - Celda de batería eléctrica Tesla Modelo S NCA
Titanato de litio (Li4Ti5O12 o SCiB / LTO). Tensión de funcionamiento: 2,4 V, consumo de energía de hasta 80 W · h / kg, vida útil de hasta 7000 ciclos (SCiB: hasta 15 000 ciclos). Uno de los tipos más interesantes de baterías de iones de litio en el que el ánodo consiste en nanocristales de titanato de litio. Los cristales ayudaron a aumentar la superficie del ánodo de 3 m2 / g en grafito a 100 m2 / g, es decir, ¡más de 30 veces! La batería de titanato de litio se carga hasta su capacidad máxima cinco veces más rápido y ofrece una corriente diez veces mayor que otras baterías. Sin embargo, las baterías de titanato de litio tienen sus propios matices que limitan el alcance de las baterías. Es decir, el bajo voltaje (2.4 V) y el consumo de energía son 2-3 veces más bajos que otras baterías de iones de litio. Esto significa que para lograr una capacidad similar, la batería de titanato de litio debe aumentarse varias veces, por lo que no puede insertarla en el mismo teléfono inteligente.
Módulo Toshiba SCiB con una capacidad de 45 Ah, voltaje nominal de 27,6 V y corriente de descarga de 160 A (pulso de hasta 350 A). Pesa 15 kg y el tamaño de una caja de zapatos: 19x36x12 cm. Fuente: Toshiba
Pero las baterías de titanato de litio ingresaron de inmediato al transporte, donde la carga rápida, las altas corrientes durante la aceleración y la resistencia al frío son importantes. Por ejemplo, los autos eléctricos Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV y en los autobuses eléctricos de Moscú. Al comienzo del proyecto, los autobuses de Moscú utilizaron un tipo diferente de batería, lo que causó problemas incluso en el medio del primer pasaje a lo largo de la ruta, pero después de instalar las baterías de titanato de litio de Toshiba, no hubo más mensajes sobre autobuses eléctricos descargados. Las baterías Toshiba SCiB, gracias al uso de titanio-niobio en el ánodo, restauran hasta el 90% de la capacidad en solo 5 minutos, el tiempo permitido para que el autobús se estacione en la parada final, donde hay una estación de carga. El número de ciclos de carga que puede soportar una batería SCiB supera los 15,000.
Prueba de fuga de batería de titanato de litio Toshiba. ¿Se incendiará o no?
Singularidad energética
Durante más de medio siglo, la humanidad ha estado soñando con poner energía atómica en baterías, lo que proporcionaría electricidad durante muchos años. De hecho, en 1953, se inventó un elemento betavoltaico, en el cual, como resultado de la desintegración beta de un isótopo radiactivo, los electrones convirtieron los átomos semiconductores en iones, creando una corriente eléctrica. Dichas baterías se utilizan, por ejemplo, en marcapasos.
¿Qué pasa con los teléfonos inteligentes? Nada hasta ahora, el poder de los elementos atómicos es insignificante, se mide en milivatios e incluso en microvatios. Puede comprar dicha batería incluso en una tienda en línea, sin embargo, incluso el famoso reloj de pulsera no funcionará con él.
¿Cuánto tiempo esperar para las baterías atómicas? Por favor, City Labs P200 - 2.4 V, 20 años de servicio, sin embargo, la potencia es de hasta 0.0001 W y el precio es de aproximadamente $ 8000. Fuente: City Labs
Han pasado más de 10 años desde la invención de las baterías estables de iones de litio hasta el comienzo de su producción en masa. Quizás una de las últimas noticias sobre una fuente de energía revolucionaria se volverá profética, y para la década de 2030 diremos adiós al litio y la necesidad de cargar diariamente los teléfonos. Pero por ahora, son las baterías de iones de litio las que determinan el progreso en el campo de la electrónica portátil y los vehículos eléctricos.