Diseñar mejores electrolitos para baterías
La inteligencia artificial y los laboratorios asistidos por robots podrían acelerar la búsqueda de mejores materiales para baterías
El futuro de los materiales para baterías. El diseño de una batería consta de tres partes. Se necesita un electrodo positivo, un electrodo negativo y, lo que es más importante, un electrolito que funcione con ambos electrodos.
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El electrolito es el componente de la batería que transfiere iones -partículas portadoras de carga- entre los dos electrodos de la batería, haciendo que ésta se cargue y descargue. La química del electrolito de las baterías de iones de litio actuales está relativamente bien definida. Sin embargo, para las futuras generaciones de baterías que se están desarrollando en todo el mundo y en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), la cuestión del diseño del electrolito está muy abierta.
"Aunque estamos atrapados en un concepto concreto de electrolitos que funcionará con las baterías comerciales actuales, el diseño y desarrollo de electrolitos diferentes será crucial para las baterías de iones de litio", afirma Shirley Meng, científica jefe del Centro de Colaboración Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía (ACCESS) y profesora de ingeniería molecular en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. "El desarrollo de electrolitos es una de las claves del progreso que lograremos para hacer realidad estas baterías más baratas, duraderas y potentes, y dar un gran paso para seguir descarbonizando nuestra economía."
En un nuevo artículo publicado en Science, Meng y sus colegas exponen su visión del diseño de electrolitos en las futuras generaciones de baterías.
Según Meng, incluso las desviaciones relativamente pequeñas respecto a las baterías actuales exigirán un replanteamiento del diseño del electrolito. Pasar de un óxido que contiene níquel a un material a base de azufre como principal componente del electrodo positivo de una batería de iones de litio podría reportar importantes ventajas de rendimiento y reducir costes si los científicos consiguen averiguar cómo modificar el electrolito, afirmó.
En el caso de otras baterías que no sean de ión-litio, como las recargables de ión-sodio o las de litio-oxígeno, los científicos también tendrán que prestar mucha atención a la cuestión del electrolito.
Un factor importante que los científicos tienen en cuenta en el desarrollo de nuevos electrolitos es cómo tienden a formar una capa intermedia llamada interfase, que aprovecha la reactividad de los electrodos. "Las interfases son de crucial importancia para el funcionamiento de una batería porque controlan cómo fluyen los iones selectivos dentro y fuera de los electrodos", explica Meng. "Las interfases funcionan como una puerta al resto de la batería; si la puerta no funciona correctamente, el transporte selectivo no funciona".
El objetivo a corto plazo, según el equipo, es diseñar electrolitos con las propiedades químicas y electroquímicas adecuadas para permitir la formación óptima de interfases en los electrodos positivo y negativo de la batería. En última instancia, sin embargo, los investigadores creen que podrían desarrollar un grupo de electrolitos sólidos que serían estables a temperaturas extremas (tanto altas como bajas) y permitirían que las baterías de alta energía tuvieran una vida útil mucho más larga.
"Un electrolito de estado sólido para una batería totalmente sólida cambiará las reglas del juego", afirma Venkat Srinivasan, director de ACCESS, subdirector del Centro Conjunto de Investigación sobre Almacenamiento de Energía y coautor del trabajo. "La clave de una batería de estado sólido es un ánodo metálico, pero su rendimiento está limitado actualmente por la formación de unas estructuras en forma de aguja llamadas dendritas que pueden cortocircuitar la batería. Si encontramos un electrolito sólido que impida o inhiba la formación de dendritas, podremos aprovechar las ventajas de algunas químicas de baterías realmente interesantes."
Para acelerar la búsqueda de electrolitos innovadores, los científicos han recurrido a la caracterización avanzada y a la inteligencia artificial (IA) para buscar digitalmente entre muchos más candidatos posibles, acelerando lo que hasta ahora había sido un proceso lento y laborioso de síntesis en laboratorio. La informática de alto rendimiento y la inteligencia artificial nos están permitiendo identificar los mejores descriptores y características que permitirán diseñar a medida diversos electrolitos para usos específicos", explica Meng. "En lugar de estudiar unas pocas docenas de posibilidades de electrolitos al año en el laboratorio, estamos estudiando muchos miles con la ayuda de la computación".
"Los electrolitos tienen miles de millones de combinaciones posibles de componentes -sales, disolventes y aditivos- con las que podemos jugar", dijo Srinivasan. "Para convertir ese número en algo más manejable, estamos empezando a utilizar realmente el poder de la IA, el aprendizaje automático y los laboratorios automatizados".
Los laboratorios automatizados a los que se refería Srinivasan incorporarán un régimen experimental dirigido por robots. De este modo, las máquinas podrán realizar sin ayuda experimentos cada vez más cuidadosamente refinados y calibrados para acabar determinando qué combinación de componentes formará el electrolito perfecto. "El descubrimiento automatizado puede aumentar espectacularmente la potencia de nuestra investigación, ya que las máquinas pueden trabajar las veinticuatro horas del día y reducir las posibilidades de error humano", afirmó.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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