Diseñan baterías de litio con una autonomía similar a las de gasolina y diesel

Un equipo de investigadores de Risø DTU, el Laboratorio Nacional de Energía Sostenible de la Universidad Técnica de Dinamarca, está diseñando pilas de litio más duraderas, que podrían abastecer incluso a grandes camiones eléctricos. Estas baterías, denominadas Li-air, son, según sus creadores, una oportunidad prometedora para los coches eléctricos, porque la densidad de energía de estas baterías sería comparable a la de la gasolina y el diesel. En este proyecto también colaboran socios de la Escuela de Física de la DTU y científicos de EE.UU. y Japón.

esde hace unos años, la industria del automóvil vive la que podría denominarse como ‘revolución eléctrica’ del motor. En este proceso de cambio, los combustibles fósiles -indispensables hasta ahora para generar energía- tienen los días contados por tratarse de recursos no renovables y altamente contaminantes. Para sustituirlos, en este sector surgen continuamente nuevos avances tecnológicos respetuosos con el medio ambiente: sustitución de combustible por energía eléctrica, empleo de baterías de litio u otros metales…

Con respecto a estas últimas, hasta ahora estas grandes pilas no proporcionaban autonomía suficiente a los vehículos como lo hace el carburante convencional ni tampoco la potencia necesaria para alcanzar cierta velocidad.

Por ello, un grupo de científicos del Risø DTU, Laboratorio Nacional de Energía Sostenible la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) trabaja en el diseño de nuevas baterías de litio más duraderas y eficientes, tal y como cuentan en esta nota de prensa publicada en su portal web.

Al frente de esta iniciativa, en la que colaboran además socios de la Escuela de Física de la DTU e investigadores de EE.UU. y Japón, está Tejs Vegge, científico senior de la división de Investigación de Materiales del Risø DTU.

Según Vegge, las baterías de Li-air -nombre que reciben estas pilas- son una oportunidad prometedora para los coches eléctricos: “Si tenemos éxito en el desarrollo de esta tecnología, nos enfrentamos a la última irrupción de los coches eléctricos, porque en la práctica, la densidad de energía de las baterías de Li-air será comparable a la de las baterías de gasolina y diesel, si se tiene en cuenta que un motor de combustión sólo tiene una eficiencia de alrededor del 30 por ciento”.

Baterías a base de pilas de litio

La apuesta del equipo de Vegge por el litio como materia prima de las baterías de coches eléctricos se basa en sus propiedades: de origen natural, es un metal blando y uno de sus puntos fuertes es la ligereza. Además, es un metal muy reactivo y se corroe rápidamente en una atmósfera húmeda.

En concreto, “la batería de Li-air ha sido diseñada con un electrodo de litio (ánodo), un electrolito y un carbón poroso electrodo (cátodo), lo que atrae el oxígeno del aire cuando la batería está operativa.

De esta manera, la batería cuenta con una apertura en un extremo, por donde tiene un suministro propio de oxígeno. Durante la descarga, el oxígeno reacciona con el litio para formar peróxido de litio (Li2O2), y durante la carga, este proceso se invierte para liberar oxígeno. Ambas reacciones se producen en la superficie del electrodo de carbono poroso”, explican los científicos daneses.

Comportamiento ‘humano’ de la batería

Al igual que los seres humanos, la batería aumenta de peso y, en ocasiones, padece falta de aire, lo que en el caso de los humanos llamaríamos falta de aliento.

Según Soren Jensen Højgaard, investigador de la división de Pilas de Combustible y Química del Estado Sólido del Risø DTU que también trabaja en esta iniciativa: “La interacción con el aire requiere que el electrodo tenga una superficie muy grande. Los prototipos con los que estamos trabajando ahora cuentan con una densidad de corriente de aproximadamente un miliamperio por centímetro cuadrado de superficie, y esto ha de ser aumentado antes de que las baterías estén listas para ser utilizadas”.

Al mismo tiempo, el electrodo puede tener falta de aire: “El oxígeno absorbido por la batería reacciona con el litio para formar peróxido de litio, que puede provocar la obstrucción de los agregados en los canales de la batería, haciendo que se bloqueen y se prohíba el suministro de oxígeno adicional. En nuestras pruebas, utilizamos el oxígeno puro, pero los problemas se acumulan cuando el oxígeno tiene que ser extraído del aire ordinario”, afirma Soren Jensen Højgaard, quien matiza que “este aire contiene también humedad, y hay que tener en cuenta que el litio y la humedad no hacen una buena combinación”.

Dichos estudios, publicados en esta nota, complementan las investigaciones sobre baterías de litio realizadas por el laboratorio danés.

En cuanto a su vida útil, las actuales baterías son caras y sólo son capaces de almacenar una cantidad relativamente baja de energía, hecho que recoge este informe. sobre energía elaborado por Hans Larsen y Leif Sønderberg Petersen, ambos investigadores del Risø DTU.

“La densidad de energía en las baterías actuales es casi dos veces menor que la de los combustibles fósiles. Esto significa que un conjunto de baterías que contiene la energía correspondiente a 50 litros de gasolina pesa entre 1,5 y 2 toneladas”, afirma el estudio.

De la teoría a la práctica

Para probar las múltiples propiedades de la batería, los científicos emplearon un congelador: “Las baterías tienen que ser capaces de soportar fuertes heladas y el calor extremo, es decir, resistir hasta -60°C y temperaturas en torno a los 50°C”, puntualiza Søren Højgaard Jensen.

Otro de los retos de los investigadores daneses es aumentar la resistencia y capacidad de carga de estas baterías. Pero no sólo eso.

Además de la cantidad de carga que la batería debe ser capaz de soportar, también debe ser un proceso lo más rápido posible: “Piense en el volumen de energía transferida al repostar gasolina en su coche. Se tarda un par de minutos, y con ello usted puede recorrer otros 800 ó 1.000 kilómetros.

Este es un verdadero reto para las baterías de Li-air, ya que potencialmente pueden ser capaces de contener la misma cantidad de energía que la gasolina, pero se necesita mucho más tiempo para abastecerse de combustible”, asegura Tejs Vegge.

Estaciones de recarga más rápidas

Mientras los investigadores del Risø DTU siguen trabajando en el diseño de estas baterías de litio, cientos de kilómetros al este, concretamente en Alemania, la empresa Siemens ha lanzado recientemente la estación de recarga eléctrica CP700A, más rápida y segura para los conductores de vehículos eléctricos.

Las características de estas estaciones de recarga eléctrica se recogen en este informe, elaborado por la compañía.

Por un lado, durante la carga, el enchufe del vehículo y la manguera de carga no se separan sin autorización. Además, la estación tiene una salida de carga de 22 kilovatios y un sistema trifásico de corriente alterna de 32 amperios, lo que permite a los vehículos recargar en el intervalo de una hora, según se informa en esta nota.

Otra novedad es que para informar de la disponibilidad de uso, la iluminación exterior señaliza a una distancia si la estación está ocupada.

Los prototipos de esta estación de carga ya han sido utilizados en proyectos realizados por el Ministerio alemán de Medio Ambiente en varias regiones del país. Esta nueva estación de carga también se utilizará en el proyecto eMotion, patrocinado por la Unión Europea.

Fuente: Tendencias21

Crean baterías que se cargan rápidamente, gracias a una nanoestructura 3D

Científicos estadounidenses han desarrollado una nanoestructura tridimensional para baterías, que permite que éstas se carguen muy rápidamente, en tan solo unos minutos. El sistema sirve para cualquier tipo de baterías y se puede aplicar en fabricaciones a escala industrial. Esta minúscula solución servirá para reducir drásticamente el tiempo de recarga de las baterías de los vehículos eléctricos, y también para la fabricación de teléfonos u ordenadores portátiles que se carguen casi instantáneamente.

Científicos de la Universidad de Illinois, en Estados Unidos, han desarrollado una nanoestructura tridimensional (el nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro ) para baterías, que permite que éstas se carguen muy rápidamente, en sólo cuestión de minutos.

Además de este aumento en la velocidad de carga, las baterías ganan con esta nanoestructura una capacidad mayor de almacenamiento de energía, explican los investigadores.

Ambas características son esenciales para el funcionamiento óptimo de diversos aparatos, como los vehículos eléctricos, algunos dispositivos médicos o militares, y para la tecnología láser.

Aunar batería y condensador

En un comunicado de la Universidad de Illinois, el principal desarrollador de la tecnología, el profesor de ciencias de los materiales e ingeniería, Paul Braun, explica que este sistema permitirá crear baterías con la misma potencia que los condensadores, pero con una gran capacidad de almacenamiento energético.

Los condensadores contienen electrodos que forman campos eléctricos cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de ellos. Aunque este campo eléctrico puede almacenar energía para ser liberada posteriormente, la capacidad de almacenamiento energético de los condensadores es escasa.

Sin embargo, dada las ventajas que presentan los condensadores frente a las baterías (además de ser capaces de recibir y suministrar energía rápidamente, son más baratos que las baterías, no contienen elementos tóxicos o inflamables y presentan una vida útil mucho más duradera) los científicos llevan tiempo intentando desarrollar condensadores con una mayor capacidad de almacenamiento energético, algo que podría conseguirse gracias a la nanotecnología.

Según Braun: “La mayoría de los condensadores almacenan muy poca energía. La pueden liberar rápidamente, pero no guardar mucha. Por su parte, la mayoría de las baterías almacenan una cantidad de energía razonablemente abundante, pero no pueden proporcionarla ni recibirla rápidamente”. Gracias a la nanoestructura tridimensional creada, un sistema que incluya ambas capacidades ya es posible.

Una fina película tridimensional

El rendimiento de las baterías recargables típicas (de ión de litio o de níquel ) se degrada significativamente cuando éstas son cargadas o descargadas con rapidez.

Por otro lado, si se convierte el material activo de los electrodos de la batería en una fina película, se consigue que la batería cargue y descargue rápidamente, pero se reduce su capacidad hasta casi anularla, porque el material activo carece del volumen necesario para almacenar energía.

Lo que Braun y sus colaboradores han hecho es convertir esa fina película de material activo en una estructura tridimensional. De esta forma, han conseguido una gran capacidad de almacenamiento energético dentro de ella, así como un caudal energético importante.

Los científicos han demostrado que, con este sistema, los electrodos de la batería se pueden cargar y descargar en tan sólo unos segundos (entre 10 y 100 veces más rápido de lo normal), y aún así funcionar normalmente, en aparatos ya existentes.

El proceso seguido para crear la estructura 3D se utiliza también a gran escala en la industria, por lo que esta técnica podría llevarse a cualquier nivel de fabricación. Dicho proceso consistió, en primer lugar, en recubrir una superficie con esferas minúsculas, que fueron empaquetadas todas juntas, muy apretadas unas con otras, para formar un entramado.

Después, los investigadores rellenaron los espacios entre las esferas y alrededor de éstas con metal. Las esferas, entonces, se disolvieron o derritieron, dando lugar a un entramado metálico y poroso en 3D, similar al de una esponja.

Posteriormente, gracias a un proceso denominado electropulimento, los científicos trataron uniformemente la superficie del entramado para aumentar sus poros y generar un armazón abierto. Por último, este armazón fue cubierto con una fina película de material activo.

Posibles aplicaciones

El resultado obtenido fue una estructura bicontinua, con pequeñas interconexiones que permiten que los iones de litio se muevan rápidamente (el material activo es una película fina, lo que hace que la difusión cinética sea rápida), pero también un entramado metálico con buena conductividad eléctrica.

Braun y su equipo han demostrado que dicha nanoestructura sirve tanto con baterías de ión de litio como con baterías de níquel, y afirman que puede usarse con cualquier material de batería que pueda depositarse en el entramado, es decir, que el sistema no está vinculado con un tipo específico de batería, sino que es un nuevo paradigma tridimensional destinado a mejorar cualquier tipo de batería existente.

El sistema podría propiciar la creación de teléfonos u ordenadores portátiles que se carguen en sólo unos minutos. También serviría para dispositivos láser de alta potencia o desfibriladores (aparatos que aplican descargas eléctricas para restablecer el ritmo cardiaco normal), de manera que éstos no necesiten tiempo de recarga antes o entre cada descarga o pulso, en el caso del láser.

Braun se muestra especialmente optimista en las aplicaciones del sistema en vehículos eléctricos. La duración y el tiempo de recarga de las baterías son importantes limitaciones para este tipo de vehículos que no resultan prácticos para viajes largos, debido a que su batería sólo aguanta unos 160 kilómetros y, además, requiere una hora de recarga.

“Si se puede recargar la batería rápidamente, se pueden tener vehículos eléctricos que tarden en cargarse lo mismo que se tarda en poner gasolina”, afirma el científico. Los investigadores han detallado los aspectos de su invento en un artículo publicado por Nature Nanotechnology.

Fuente: Tendencia21

Un mejor catalizador de platino para pilas de combustible

Un nuevo tipo de catalizador puede dar lugar a células de combustible que utilicen una quinta parte del platino que usan actualmente. El nuevo material, desarrollado por un grupo de investigadores de la Universidad de Houston, la Universidad Técnica de Berlín en Alemania, y el Laboratorio Nacional de Aceleración (SLAC) del Departamento de Energía con sede en Menlo Park, California, está formado por nanopartículas con sus núcleos constituidos por una aleación de cobre y platino y un envoltorio exterior prácticamente todo de platino. Este material es hasta cinco veces más eficiente que el platino normal.

El platino y las aleaciones de platino son los catalizadores más eficientes para acelerar las reacciones químicas en las células de combustible de hidrógeno. El platino es el único metal que puede resistir las condiciones ácidas en el interior de una celda, pero es caro, y esto ha limitado la amplia gama de aplicaciones a gran escala de las pilas de combustible. Por otra parte, alrededor del 90 por ciento del suministro de platino del mundo proviene de sólo dos países--Sudáfrica y Rusia.

El nuevo material ya cumple con el objetivo del Departamento de Energía de los EE.UU. para 2015 con respecto a los catalizadores de platino: producir al menos 0,44 amperios de corriente eléctrica por un miligramo de platino. El material en cuestión produce hasta 0,49 amperios por miligramo de platino y los investigadores creen que debería ser posible aumentar la actividad catalítica del material aún más. "Si pudiéramos conseguir otro factor de dos [mejora de la actividad catalítica], pensamos que el coste del platino en estas células de combustible podría hacer la tecnología más práctica", afirma el físico del SLAC Anders Nilsson.

"Éste es un trabajo excelente que debería permitirnos utilizar menos platino en las pilas de combustible", afirma Jean-Pol Dodelet, profesor de energía, materiales y telecomunicaciones en el Instituto National de la Investigación Científica (INRS por sus siglas en francés) con sede en Quebec.

En el ánodo de una pila de combustible de membrana de intercambio de protones convencional (PEM), el catalizador rompe el hidrógeno en iones hidrógeno y electrones, con lo cual estos últimos fluyen fuera de la célula para crear corriente eléctrica. En el cátodo, las moléculas de oxígeno se combinan con electrones e iones hidrógeno para formar agua. Esta reacción es lenta y acelerarla requiere 10 veces más de platino que el usado en el ánodo. "Si usted está tratando de reemplazar el platino, es más importante reemplazar el platino del cátodo", señala Dodelet.

Peter Strasser, profesor de ingeniería química en ambas la Universidad de Houston y la Universidad Técnica de Berlín, comenzó a trabajar en un nuevo tipo de catalizador en el 2005, depositando nanopartículas de una aleación de cobre y platino sobre unos soportes de carbono. Cuando se aplica una corriente alterna cíclica sobre este material, el cobre se separa de la zona superficial, dando a las nanopartículas una capa externa rica en platino.

En un artículo reciente publicado en Nature Chemistry, los investigadores revelan el mecanismo que hace que este catalizador sea más activo que el platino convencional. Al estudiar cómo los haces de rayos X son dispersados por el nuevo catalizador, descubrieron que la distancia entre los átomos de platino restantes sobre la superficie de las nanopartículas es menor que la distancia en las nanopartículas de platino puro. Un buen catalizador debe ser capaz de dividir las moléculas de oxígeno en átomos, pero no puede enlazarse demasiado fuertemente con los átomos libres; la distancia más corta entre los átomos de platino en el nuevo material lo convierte en un catalizador más eficaz porque se une aún más débilmente con los átomos de oxígeno.

Existen alternativas al uso de platino como catalizador. Dodelet y su grupo han trabajado con General Motors para desarrollar un prometedor catalizador basado en el hierro que actualmente están trabajando en comercializar. Mientras tanto, se están desarrollando catalizadores de nanotubos de carbono de bajo coste y también catalizadores de níquel para la química de pilas de combustible alcalinas.

Los catalizadores libres de platino tienen otras ventajas aparte de su bajo coste, señala Liming Dai, profesor de ingeniería de materiales de la Universidad de Dayton, Ohio, que está trabajando en catalizadores de nanotubos de carbono. Las nanopartículas de platino tienden a perder su eficacia catalítica agregándose con el tiempo en partículas más grandes o cuando el monóxido de carbono se adhiere a su superficie. Los nanotubos de carbono son más robustos a largo plazo, afirma Dai.

"Éste es un trabajo interesante y un avance importante porque el mecanismo se podría aplicar a otros catalizadores", afirma Dai sobre el nuevo catalizador de platino. "Sería interesante comprobar su estabilidad a largo plazo y el efecto del envenenamiento por monóxido de carbono [en la superficie] en este tipo de catalizador núcleo-caparazón."

Strasser coincide en que el nuevo catalizador requerirá más pruebas. Sin embargo, el mayor tamaño de las partículas núcleo-caparazón las hace intrínsecamente más estables que el platino puro, afirma él. La elección de este metal también hace una diferencia. "Estamos seguros de que los metales alternativos al platino en el núcleo, como el cobalto o níquel, resolverán el problema de la estabilidad, manteniendo la ventaja de la actividad de la estructura núcleo-caparazón", afirma Strasser.

El nuevo material también ha sido probado en pilas de combustible reales, lo que podría ser una ventaja de mercado crucial. "La mayoría de estos otros catalizadores fueron medidos en medidas electroquímicas", señala éste. "Es cierto que tienen potencial para ser usados en el futuro, pero esto [el nuevo catalizador] es algo que se puede poner hoy mismo en células de combustible reales."

Fuentes: Technology Review

Sanyo lanza baterías híbridas para gadgets

Sanyo, hoy, ha lanzado pilas híbridas especialmente para gadgets. Por los que no las conocen, las baterías híbridas se caracterizan por poseer la capacidad de las pilas alcalinas y la versatilidad de las recargables. Esto quiere decir que serán pilas precargadas que apenas se descargan con el transcurso del tiempo.

Esta empresa ha sido la única en fabricar y diseñar baterías de este tipo; han sido las pioneras.La primeras baterías son llamadas Eneloop, el cual nos brinda energía de hasta un 75% por 3 años, además aguanta hasta 2000 recargas. Los modelos que hoy presentan son las Sanyo Eneloop Lite.

La característica relevante de estas nuevas pilas, es que están enfocadas a los dispositivos de gama media-baja, tales como: Relojes, controles remotos, relojes, etc.

Estos modelos tendrán un precio de 6.3€, las baterías AA y unos 5.2€ las baterías AAA. Saldrán al mercado público el 22 de junio en Japón.

Fuente: Avancestecnologicos