Mejor fabricación de baterías: un laboratorio robótico ensaya una nueva estrategia de diseño de reacciones
Mezclando ingredientes poco convencionales en el orden correcto se pueden fabricar materiales complejos con menos impurezas
Las nuevas químicas para baterías, semiconductores y otros productos podrían ser más fáciles de fabricar, gracias a un nuevo método de fabricación de materiales químicamente complejos que han demostrado investigadores de la Universidad de Michigan y del Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung.
Sus nuevas recetas utilizan ingredientes poco convencionales para fabricar materiales de baterías con menos impurezas, lo que reduce los costosos pasos de refinado y aumenta su viabilidad económica.
"En las dos últimas décadas se han diseñado computacionalmente muchos materiales para baterías con mayor capacidad, velocidad de carga y estabilidad, pero no han llegado al mercado", explica Wenhao Sun, catedrático Dow de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor del estudio publicado en Nature Synthesis.
"Muchas veces, un material sencillo es un buen punto de partida, pero cuando se añade un poco de compuesto A y un poco de compuesto B, se produce la magia y se obtienen grandes mejoras en la capacidad o la velocidad de carga. Sin embargo, estos materiales químicamente complejos suelen ser difíciles de fabricar a escala con gran pureza".
Los materiales de las baterías suelen fabricarse mezclando varios polvos de óxido diferentes y cociéndolos en un horno. Sin embargo, estos polvos reaccionan en una secuencia y no todos al mismo tiempo. Los dos primeros ingredientes en reaccionar suelen ser los que liberan más energía al reaccionar. La primera reacción da lugar a un compuesto intermedio que luego reacciona con el polvo restante, y así sucesivamente, hasta que ya no es posible ninguna otra reacción.
Si los enlaces químicos de los compuestos intermedios son difíciles de romper, es posible que no reaccionen completamente con los demás ingredientes. Cuando no reaccionan del todo, los compuestos intermedios quedan como impurezas no deseadas en el material final.
"Hemos diseñado una estrategia para fabricar materiales sin impurezas de forma más fiable", explica Jiadong Chen, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales e Informática Científica de la UM. "El truco consiste en trabajar sólo con dos ingredientes a la vez y fabricar deliberadamente productos intermedios inestables que reaccionen completamente con los ingredientes restantes".
Para probar esta estrategia, el equipo de Sun diseñó 224 recetas diferentes para crear 35 materiales conocidos distintos que contienen elementos utilizados en las baterías actuales y en las de próxima generación "más allá del litio".
A continuación, los investigadores colaboraron con el Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung Semiconductor en Cambridge (Massachusetts) para comprobar si sus recetas producían estos 35 materiales con menos impurezas que las recetas convencionales. El laboratorio robotizado automatizado de Samsung puede sintetizar hasta 24 materiales de batería diferentes cada 72 horas.
Los brazos robóticos manipulan los ingredientes y manejan el equipo de laboratorio que evalúa la pureza de los materiales resultantes. Mientras tanto, los ordenadores registran automáticamente los resultados de cada experimento, creando una base de datos que los investigadores pueden utilizar para determinar qué recetas han funcionado mejor.
"Con el laboratorio automático, pudimos probar ampliamente nuestra hipótesis en diversas químicas de baterías", afirma Chen.
Los experimentos confirmaron que las nuevas recetas con ingredientes diseñados para ser inestables tendían a producir productos más limpios. Las nuevas recetas mejoraron la pureza de los materiales hasta en un 80%, y seis de los materiales objetivo sólo podían fabricarse con las nuevas recetas.
Los planos del laboratorio robotizado se detallan en el informe del equipo, que Sun espera que permita a más laboratorios de química adoptar laboratorios robotizados tanto para la ciencia como para la fabricación de materiales.
"Necesitamos más datos -no sólo de las recetas exitosas, sino también de las fracasadas- para mejorar las estrategias de fabricación de materiales. Más laboratorios robotizados ayudarán a generar los datos necesarios", afirma Sun.
Según los investigadores, estos laboratorios están al alcance de la mayoría de las instituciones de investigación y podrían acelerar considerablemente el desarrollo de materiales.
"El coste inicial del equipo robótico es de unos 120.000 dólares, no tan elevado como podría pensarse. Pero los beneficios en rendimiento, fiabilidad y gestión de datos son incalculables", afirma Yan Eric Wang, coautor del estudio, ingeniero principal y director de proyectos del Laboratorio de Materiales Avanzados de Samsung.
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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