Si bien el rendimiento de las baterías de litio ha aumentado enormemente, todavía hay margen de mejora para reducir los costos, aumentar la sostenibilidad y maximizar su impacto en la descarbonización, dice Marcos Ierides, consultor y experto en materiales de la consultora de innovación Bax & Company.
Impulsados por una población mundial cada vez mayor, así como por el crecimiento económico global, nuestras necesidades energéticas han aumentado rápidamente, alcanzando un máximo de 113,000TWh en 2017 según la Agencia Internacional de Energía.
El impacto de este crecimiento en el medio ambiente y el bienestar de la sociedad es cada vez más evidente, intensificando la necesidad de descarbonizar los sectores del transporte y la generación de energía, los dos sectores más contaminantes de la Unión Europea (UE).
La electromovilidad se ha convertido en la solución predominante para la descarbonización del sector del transporte, y las ventas de vehículos eléctricos aumentaron en un 60% en los últimos dos años. Mientras tanto, en el sector de generación de energía, la recolección de energía eólica y solar está ganando ritmo, con una cuarta parte de la electricidad global proveniente de fuentes de energías renovables.
Para que estas soluciones alcancen su máximo potencial, deben combinarse con tecnologías eficientes de almacenamiento de energía. El rendimiento de las baterías de iones de litio (Li-ion) ha aumentado enormemente como resultado de importantes inversiones en I+D; La densidad energética se ha triplicado desde 2008, mientras que el costo se ha reducido en cerca del 85%. Aún así, se necesita más investigación para disminuir el costo nivelado de energía (LCOE) y asegurar que la producción y el uso de baterías no generen un impacto negativo en el medio ambiente.
1. Encuentre alternativas a los escasos materiales de los electrodos para mejorar la densidad de energía y disminuir el impacto en el medio ambiente y la sociedad.
Las baterías de hoy incluyen REE (Elementos de tierras raras), CRM (Materias primas críticas) y otros materiales «sensibles». Los elementos más importantes son quizás el cobalto (Co), el níquel (Ni), el manganeso (Mn) y el litio (Li), debido a su importancia en el rendimiento electroquímico final de la batería.
El Centro Común de Investigación de la UE estima que la demanda de estos materiales crecerá hasta un 2,500% de 2015 a 2030, creando un problema de escasez. El hecho de que la mayoría de estos elementos estén distribuidos de manera desigual en todo el mundo tampoco facilita las cosas; Un tercio del níquel y el litio utilizados en las baterías a nivel mundial se extraen en China y Chile, respectivamente, mientras que dos tercios de los suministros de cobalto provienen de la República Democrática del Congo, según la Comisión Europea.
Esto crea importantes riesgos en la cadena de suministro y contribuye a la enorme volatilidad de los precios a corto y largo plazo. A eso se suma el impacto cuestionable sobre el medio ambiente y la sociedad de la obtención de dichos materiales, con la más infame extracción de cobalto en la República Democrática del Congo utilizando minas artesanales y trabajo infantil.
Los esfuerzos continuos de investigación e innovación (I+I) en todo el mundo están orientados a abordar esos problemas. El contenido de cobalto en los cátodos de níquel-manganeso-cobalto (NMC), una de las químicas de cátodos más establecidas, se reduce de ~ 0.4 kg / kWh para NMC111, a 0.03 kg / kWh para NMC811, dice la AIE.
Estas mejoras también están orientadas hacia un rendimiento mejorado, además de abordar problemas de materias primas; La energía específica de los cátodos NMC811 es un 25% mayor que la de NMC111, a 200 mAh/gr [RI]. Otros enfoques eliminan el uso de Co por completo. El proyecto colaborativo de investigación y desarrollo financiado por la UE COBRA (Baterías sin CObalt para aplicaciones automotrices FutuRe) está trabajando en una química de cátodos de óxido de litio-manganeso (LMO) sin contenido de cobalto. Para mejorar el rendimiento, los socios están trabajando en el dopaje del material del cátodo con óxidos ricos en Li, para alcanzar capacidades de 250 mAh/gr.
2. Implemente mecanismos de autocuración para mejorar la duración de la batería.
Los fenómenos electroquímicos que permiten que una batería almacene y proporcione energía a demanda también son responsables de los mecanismos de degradación que reducen el rendimiento de la batería con el tiempo en las celdas de la batería. Un ejemplo es la formación de la capa SEI, que, aunque es vital para el rendimiento de la célula, eventualmente contribuye a una menor capacidad y densidad de potencia.
Un enfoque para abordar tales problemas se inspira en los organismos vivos que pueden curar lesiones y recuperar la funcionalidad de las partes del cuerpo dañadas para sobrevivir. Se puede dividir ampliamente en mecanismos preventivos, es decir, prevenir o desacelerar la degradación, o activos, lo que significa revertir el daño después de que haya ocurrido.
El enfoque utiliza polímeros de autocuración que reparan el daño mediante la reconstrucción de la interfaz rota mediante enlaces químicos reversibles o interacciones supramoleculares específicas, como enlaces de hidrógeno, entre otros. Estos materiales pueden incorporarse directamente en los componentes de la batería durante su fabricación o incrustarse en microcápsulas que luego se inyectan en los componentes, por ejemplo, el electrolito, y se liberan de forma autónoma cuando se cumple una condición, o bajo demanda, por estímulo externo.
La investigación en curso en el área todavía está en su infancia, aunque el área está ganando atención gradualmente. El ámbito europeo de la batería destaca la autocuración como una de las áreas clave para futuras investigaciones, incluso a través de su iniciativa de colaboración ‘Battery 2030+’ (que tiene como objetivo «poner a Europa a la vanguardia de la carrera para desarrollar las tecnologías de batería del futuro» )
3. Desarrollar líneas de fabricación más eficientes para disminuir los costos.
Aunque los costos de la batería están disminuyendo rápidamente, el LCOE sigue siendo de dos a cuatro veces mayor que para la energía eólica y solar, dijo recientemente BloombergNEF. Esto se debe en parte a los procesos de fabricación intensivos en energía para la producción de componentes y celdas. Particularmente intensivos en energía son los procesos de calcinación y coprecipitación para la producción de los electrodos, ya que requieren el calentamiento de los hornos a temperaturas superiores a 1000° C.
Para NMC111, la proporción del consumo de energía para la calcinación y precipitación es alrededor del 35% del total de 1127MJ / kWh de batería [según el análisis del ciclo de vida de Q. Dai]. Además de necesitar cantidades significativas de energía para alcanzar tales temperaturas, los hornos generalmente permanecen operativos durante todo el día (alcanzar tales temperaturas desde el «arranque en frío» requeriría mucho tiempo). Una solución «fácil» para esto sería usar energía de fuentes de energía renovables, que gradualmente se está volviendo más barata. Además de los costos, esto también reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
Otros enfoques buscan soluciones más innovadoras, como el desarrollo de un proceso a base de agua para la producción de electrodos. Esto viene de la mano con el desarrollo de formulaciones a base de agua con aglutinantes solubles, que eliminarían el uso de aglutinantes actuales de n-metil-2-pirrolidona (NMP) que requieren largos tiempos de secado a altas temperaturas.
Conclusión
Estas son solo algunas de las formas en que podemos garantizar la sostenibilidad y la viabilidad comercial de los sistemas de baterías.
Serían necesarias innovaciones tecnológicas, sociales y políticas adicionales para acelerar el despliegue de baterías que satisfagan nuestras necesidades sin generar un efecto adverso en la sociedad o el medio ambiente.
Noticia tomada de: Energy Store / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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