En los últimos años, a menudo escuchamos eso, y la humanidad recibirá baterías que podrán alimentar nuestros dispositivos durante semanas, o incluso meses, a la vez que son muy compactas y de carga rápida. Pero las cosas siguen ahí. ¿Por qué todavía no han aparecido baterías más eficientes y qué tipo de desarrollos existen en el mundo?
Hoy en día, varias empresas nuevas están cerca de crear baterías compactas seguras con un costo de almacenamiento de energía de aproximadamente $ 100 por kWh. Esto resolvería el problema del suministro de energía las 24 horas del día, los 7 días de la semana y, en muchos casos, cambiaría a fuentes de energía renovables, y al mismo tiempo reduciría el peso y el costo de los vehículos eléctricos.
Pero todos estos desarrollos se acercan muy lentamente al nivel comercial, lo que no permite acelerar la transición de minerales a fuentes renovables. Incluso Elon Musk, que ama las promesas audaces, se vio obligado a admitir que su división automotriz está mejorando gradualmente las baterías de iones de litio, en lugar de crear tecnologías innovadoras.
Muchos desarrolladores creen que las baterías futuras tendrán una forma, estructura y composición química completamente diferentes en comparación con el ion de litio, que en la última década ha reemplazado a otras tecnologías de muchos mercados.
El fundador de SolidEnergy Systems, Qichao Hu, quien ha estado desarrollando una batería de litio metálico durante diez años (un ánodo de metal en lugar de uno de grafito, como en el ión de litio tradicional), dice que el principal problema con la creación de nuevas tecnologías de almacenamiento de energía es , que con la mejora de cualquier parámetro empeoran los demás. Además, hay tantos desarrollos hoy en día, cuyos autores afirman en voz alta su superioridad, que es muy difícil para las nuevas empresas convencer a los posibles inversores y atraer fondos suficientes para continuar la investigación.
Según un
informe de Lux Research , en los últimos 8 a 9 años, la compañía ha invertido alrededor de $ 4 mil millones en investigación de almacenamiento de energía, de los cuales $ 40 millones han sido ganados en promedio por nuevas empresas que crean "tecnologías de próxima generación". Al mismo tiempo, Tesla invirtió alrededor de $ 5 mil millones en Gigafactory, que se dedica a la producción de baterías de iones de litio. Tal brecha es muy difícil de cerrar.
Según Gerd Ceder, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de California, Berkeley, crear una pequeña línea de producción y resolver todos los problemas de producción para sacar las baterías cuesta alrededor de $ 500 millones. Los fabricantes de automóviles pueden probar nuevas tecnologías de batería durante años antes de decidir si comprar las nuevas empresas que las crearon. Incluso si una nueva tecnología ingresa al mercado, es necesario superar el período peligroso de aumentar los volúmenes y encontrar clientes. Por ejemplo, Leyden Energy y A123 Systems fallaron, a pesar de la promesa de sus productos, porque las necesidades financieras eran más altas de lo estimado y la demanda no cumplía con las expectativas. Otras dos nuevas empresas, Seeo y Sakti3, no lograron alcanzar volúmenes de producción en masa y un nivel significativo de ingresos y fueron compradas por cantidades mucho más pequeñas de lo que esperaban los principales inversores.
Al mismo tiempo, los tres principales fabricantes mundiales de baterías, Samsung, LG y Panasonic, no están demasiado interesados en las innovaciones y los cambios radicales, prefieren mejorar ligeramente sus productos. Por lo tanto, todas las nuevas empresas que ofrecen tecnologías innovadoras enfrentan un problema importante que prefieren no mencionar: las baterías de iones de litio desarrolladas a fines de la década de 1970 continúan mejorando.
Pero aún así, ¿qué tecnologías pueden reemplazar las ubicuas baterías de iones de litio?
Baterías recargables de Li-Air
En las baterías de litio-aire, el oxígeno se usa como agente oxidante. Potencialmente, pueden ser muchas veces más baratos y más livianos que las baterías de iones de litio, y su capacidad puede ser mucho mayor con tamaños comparables. Los principales problemas de la tecnología: pérdida de energía significativa debido a la disipación térmica durante la carga (hasta un 30%) y una degradación relativamente rápida de la capacitancia. Pero hay esperanza de que dentro de 5 a 10 años estos problemas puedan resolverse. Por ejemplo, el año pasado se introdujo un nuevo tipo de tecnología de litio-aire: una
batería con un cátodo nanolítico .
Cargador Bioo
Este dispositivo tiene la forma de una
maceta especial para plantas que utiliza la energía de la fotosíntesis para cargar dispositivos móviles. Además, ya está disponible para la venta. El dispositivo puede proporcionar de dos a tres sesiones de carga por día con un voltaje de 3.5 V y una corriente de 0.5 A. Los materiales orgánicos en la olla interactúan con el agua y los productos de reacción de fotosíntesis, lo que produce suficiente energía para cargar teléfonos inteligentes y tabletas.
Imagine arboledas enteras en las que cada árbol se planta sobre un dispositivo de este tipo, solo que más grande y más poderoso. Esto permitirá suministrar energía "gratuita" a las casas circundantes y será una buena razón para proteger los bosques de la deforestación.
Baterías de nanocables de oro
En la Universidad de California, Irvine
, se han
desarrollado baterías de nanocables que pueden soportar más de 200 mil ciclos de carga durante tres meses sin signos de degradación de la capacidad. Esto aumentará en gran medida el ciclo de vida de los sistemas de energía en sistemas de misión crítica y electrónica de consumo.
Los nanoconductores miles de veces más delgados que un cabello humano prometen un futuro más brillante. En su desarrollo, los científicos usaron alambres de oro en una cubierta de dióxido de manganeso, que se colocan en un electrolito similar a un gel. Esto evita la destrucción de nanoconductores durante cada ciclo de carga.
Baterías de magnesio
Toyota está trabajando en el
uso de magnesio en las baterías . Esto le permitirá crear módulos pequeños y apretados que no necesitan gabinetes de protección. A la larga, tales baterías pueden ser más baratas y más compactas que las de iones de litio. Es cierto que esto no sucederá pronto. Si sucede
Baterías de estado sólido
Las baterías de iones de litio convencionales usan un electrolito líquido inflamable como medio para transferir partículas cargadas entre los electrodos, lo que conduce gradualmente a la degradación de la batería.
Las baterías de iones de litio de
estado sólido , que hoy se consideran una de las más prometedoras, se ven privadas de este inconveniente. En particular, los desarrolladores de Toyota
publicaron un artículo científico en el que describieron sus experimentos con conductores superiónicos de sulfuro. Si tienen éxito, entonces las baterías se crearán al nivel de los supercondensadores: se cargarán o descargarán completamente en solo siete minutos. Ideal para vehículos eléctricos. Y gracias a la estructura de estado sólido, tales baterías serán mucho más estables y más seguras que las modernas de iones de litio. Su rango de temperatura de funcionamiento también se ampliará, de –30 a +100 grados Celsius.
Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts en colaboración con Samsung también han
desarrollado baterías de estado sólido que superan a las baterías modernas de iones de
litio en sus características. Son más seguros, el consumo de energía es 20-30% más alto y, además, pueden soportar cientos de miles de ciclos de recarga. Sí, y no hay peligro de incendio.
Pilas de combustible
Mejorar las celdas de combustible puede llevar al hecho de que cargaremos teléfonos inteligentes una vez por semana, y los drones volarán más de una hora. Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (Corea del Sur)
crearon una celda en la que se combinaron elementos porosos de acero inoxidable con electrolitos de película delgada y electrodos con una capacidad calorífica mínima. El diseño resultó ser más confiable que las baterías de iones de litio y dura más. Es posible que el desarrollo se implemente en productos comerciales, principalmente en teléfonos inteligentes Samsung.
Baterías de coche de grafeno
Muchos expertos creen que el futuro está en las baterías de grafeno.
Graphenano ha desarrollado la batería
Grabat , que puede proporcionar un alcance eléctrico de hasta 800 km. Los desarrolladores afirman que la batería se carga en solo unos minutos: la velocidad de carga / descarga es 33 veces mayor que la del ion de litio. La descarga rápida es especialmente importante para garantizar una dinámica de alta aceleración de los vehículos eléctricos.
La capacidad del Grabat de 2.3 voltios es enorme: alrededor de 1000 Wh / kg. A modo de comparación, las mejores muestras de baterías de iones de litio tienen un nivel de 180 Wh / kg.
Microcondensadores fabricados con láser.
Los científicos de la Universidad de Rice han
progresado en el desarrollo de microsupercondensadores . Una de las principales desventajas de la tecnología es el alto costo de fabricación, pero el uso de un láser puede conducir a una reducción significativa en el precio. Los electrodos para condensadores están cortados con láser de una lámina de plástico, lo que reduce en gran medida la complejidad de la producción. Dichas baterías pueden cargarse hasta 50 veces más rápido que las baterías de iones de litio y descargarse más rápido que los supercondensadores que se usan en la actualidad. Además, son confiables, durante los experimentos continuaron trabajando incluso después de 10 mil curvas.
Baterías de iones de sodio
Un grupo de investigadores franceses y compañías RS2E han desarrollado baterías de
iones de sodio para computadoras portátiles que usan sal regular. El principio de funcionamiento y el proceso de fabricación se mantienen en secreto. La capacidad de la batería de 6.5 cm es de 90 Wh / kg, que es comparable a la masa de iones de litio, pero no puede soportar más de 2 mil ciclos de carga.
Baterías de espuma
Otra tendencia en el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía es la creación de estructuras tridimensionales. En particular, Prieto ha creado una batería basada en un
sustrato de espuma de metal (cobre). No hay electrolito inflamable, tal batería tiene un recurso largo, se carga más rápido, su densidad es cinco veces mayor y también es más barata y menos que las baterías modernas. Prieto espera introducir primero su desarrollo en la electrónica portátil, pero argumenta que la tecnología puede distribuirse más ampliamente: uso en teléfonos inteligentes e incluso en automóviles.
"Nano-yema" de alta capacidad y carga rápida
Otro desarrollo del Instituto de Tecnología de Massachusetts son las
nanopartículas para baterías : una carcasa hueca hecha de dióxido de titanio, dentro de la cual (como una yema en un huevo) hay una carga de polvo de aluminio, ácido sulfúrico y oxisulfato de titanio. Las dimensiones del relleno pueden variar independientemente de la carcasa. El uso de tales partículas permitió un aumento de tres veces en la capacidad de las baterías modernas, y la duración de una carga completa disminuyó a seis minutos. Además, la tasa de degradación de la batería ha disminuido. Cereza en el pastel: bajo costo de producción y facilidad de escala.
Batería de iones de aluminio ultrarrápida
En Stanford, desarrollaron una
batería de iones de aluminio que se carga completamente en aproximadamente un minuto. Al mismo tiempo, la batería en sí tiene cierta flexibilidad. El principal problema es que la capacidad específica es aproximadamente la mitad que la de las baterías de iones de litio. Aunque, dada la velocidad de carga, esto no es tan crítico.
Batería Alfa: dos semanas en el agua
Si Fuji Pigment logra recordar su
batería Alfa de batería de
aluminio y aire , entonces estamos esperando la aparición de portadores de energía, cuya capacidad es 40 veces la capacidad de iones de litio. Además, la batería se recarga
agregando agua , simple o salada. Según los desarrolladores, Alfa podrá trabajar con una sola carga durante hasta dos semanas. Quizás primero aparezcan tales baterías en los vehículos eléctricos. Imagina una estación de servicio a la que pides agua.
Baterías flexibles como papel
Jenax ha creado una batería flexible
J.Flex que se parece al papel pesado. Incluso se puede plegar. Además, no le teme al agua y, por lo tanto, es muy conveniente para usar en la ropa. O imagine un reloj de pulsera con una batería en forma de correa. Esta tecnología le permitirá reducir el tamaño de los dispositivos en sí mismos y aumentar la cantidad de energía portátil. Otro escenario es la creación de tabletas y teléfonos inteligentes plegables flexibles. ¿Necesitas una pantalla más grande? Simplemente expanda el dispositivo doblado por la mitad.
Según los desarrolladores, la muestra de prueba soporta 200 mil pliegues sin pérdida de capacidad.
Baterías elásticas
Las compañías flexibles están trabajando en la creación de portadores de energía flexibles. Y un equipo de científicos de la Universidad Estatal de Arizona fue más allá y con la ayuda de un diseño mecánico especial creó una batería
en forma de cinta elástica . Es posible que la idea se desarrolle y permita construir baterías en la ropa.
Batería urinaria
En 2013, la Fundación Bill Gates invirtió en la continuación de la investigación en el Laboratorio Robótico de Bristol sobre la creación de
baterías que trabajan en la orina . Todo el truco es el uso de "células de combustible microbianas": contienen microorganismos que descomponen la orina y producen electricidad. Quién sabe, tal vez ir al baño pronto será no solo una necesidad, sino también, literalmente, una actividad útil.
Ryden - Baterías de carbono de carga rápida
En 2014,
Power Japan Plus anunció planes para la producción de baterías basadas en materiales de carbono. Podrían producirse en el mismo equipo que el ion de litio. Las baterías de carbono deberían durar más y cargarse 20 veces más rápido que las baterías de iones de litio. Se declaró un recurso de 3 mil ciclos de carga.
Batería orgánica, casi nada
En Harvard, se creó la
tecnología de baterías orgánicas con un costo de producción de $ 27 por kWh. Esto es un 96% más barato que las baterías a base de metal (alrededor de $ 700 por kWh). La invención usa moléculas de quinona que son casi idénticas a las contenidas en el ruibarbo. En términos de eficiencia, las baterías orgánicas no son inferiores a las tradicionales y pueden escalarse a grandes tamaños sin problemas.
Solo agrega arena
Esta tecnología es una
modernización de las baterías de iones de litio . En lugar de ánodos de grafito, la Universidad de California en Riverside utilizó una mezcla quemada de arena refinada y triturada (leer cuarzo) con sal y magnesio. Esto permitió aumentar el rendimiento de las baterías convencionales de iones de litio y aproximadamente triplicar su vida útil.
Carga rápida y larga vida
En la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur),
desarrollaron su propia modificación de una batería de iones de litio , que carga el 70% en dos minutos y dura 10 veces más que las
baterías de iones de litio convencionales. En él, el ánodo no está hecho de grafito, sino de una sustancia similar a un gel basada en dióxido de titanio, una materia prima barata y generalizada.
Baterías Nanopore
En la Universidad de Maryland en College Park, crearon una
estructura nanoporosa , cada una de las cuales funciona como una pequeña batería. Dicha matriz se carga durante 12 minutos, tres veces la capacidad de una batería de iones de litio del mismo tamaño y puede soportar aproximadamente mil ciclos de carga.
Generación de electricidad
Energía de la piel
No se trata tanto de las baterías, sino de la forma de obtener energía. Teóricamente, utilizando la energía de fricción de un dispositivo portátil (reloj, rastreador de ejercicios) en la piel, puede generar electricidad. Si la tecnología se puede mejorar lo suficiente, en el futuro, en algunos dispositivos, las baterías funcionarán simplemente porque las use en el cuerpo.
El prototipo de dicho nanogenerador es una película de oro de 50 nanómetros de espesor, depositada sobre un sustrato de silicona que contiene miles de pequeñas patas que aumentan la fricción del sustrato contra la piel. El resultado es un
efecto triboeléctrico .
uBeam: carga por aire
uBeam es un concepto curioso de transferir energía a un dispositivo móvil mediante ultrasonido. El cargador emite ondas ultrasónicas que el receptor recoge en el dispositivo y lo convierte en electricidad. Aparentemente, el efecto piezoeléctrico es la piedra angular de la invención: el receptor resuena bajo la influencia del ultrasonido y sus oscilaciones generan energía.
Un camino similar fue para los científicos de Queen Mary de la Universidad de Londres. Crearon un prototipo de teléfono inteligente que se carga
simplemente debido al ruido externo , incluso de las voces de las personas.
Storedot
El
cargador StoreDot fue desarrollado por una startup que apareció sobre la base de la Universidad de Tel Aviv. La muestra de laboratorio pudo cargar la batería del Samsung Galaxy 4 en 30 segundos. Se informa que el dispositivo se basa en semiconductores orgánicos hechos de péptidos. A finales de 2017, se supone que saldrá a la venta una batería de bolsillo, capaz de cargar teléfonos inteligentes en cinco minutos.
Panel solar transparente
Alcatel ha desarrollado un prototipo de panel solar transparente que se coloca en la parte superior de la pantalla para que el teléfono se pueda recargar simplemente colocándolo al sol. Por supuesto, el concepto no es ideal en términos de ángulos de visión y potencia de carga. Pero la idea es hermosa.
Un año después, en 2014, Tag Heuer
anunció una nueva versión de su teléfono
pontón Tag Heuer Meridiist Infinite, en el que se suponía que se colocaría un panel solar transparente entre el vidrio exterior y la pantalla. Es cierto que no está claro si llegó a producción.