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Investigación en Celdas de Iones para Satisfacer las Nuevas Demandas

Los fabricantes están introduciendo más vehículos eléctricos e híbridos y las empresas de servicios públicos están almacenando el exceso de energía solar y eólica, creando una gran demanda de baterías de iones de litio mucho más allá de la electrónica de consumo. Como resultado, los investigadores se apresuran a mejorar la tecnología para nuevos usos.

El Laboratorio Nacional Argonne, ubicado en antiguos campos de maíz al oeste de Chicago, es un centro para la investigación de baterías de iones de litio (Li-ion). Pero sus clientes ya no se limitan a las empresas de electrónica de consumo a las que ha servido tradicionalmente.

El laboratorio ha concedido su investigación a General Motors, BASF, LG Chem y General Electric, todas ellas empresas importantes en la fabricación o en el uso de baterías de iones de litio que buscan formas de mejorar la tecnología. El objetivo no es sólo encontrar maneras de prevenir incendios que acaparan los titulares en los smartphones. Los investigadores, como los de Argonne, están trabajando para ajustar las formulaciones químicas y mejorar los sistemas que gestionan las baterías para optimizar el rendimiento para nuevos usos y prolongar la vida útil de las mismas.

¿La razón? Nuevas y exigentes aplicaciones que incluyen 15 años de vida útil en su coche eléctrico y 30 años de almacenamiento.

“Cuando se trata de transporte, no sólo se trata de energía; también necesito energía de la batería”, dijo Daniel Abraham, un científico senior de Argonne que ha trabajado en la investigación de baterías durante casi dos décadas. “Me gustaría que el coche acelerara lo más rápido posible. Eso también es diferente de lo que necesita una red eléctrica. Si estoy capturando energía del viento, me gustaría capturar energía lo más rápido posible. Eso significa que necesito tener una alta capacidad de carga”.

Para satisfacer estas demandas, los investigadores de baterías confían en potentes algoritmos informáticos para simular y modelar el rendimiento de las baterías en tres niveles:

Nano, o molecular.

“Los investigadores trabajan con bases de datos de miles de compuestos diferentes para descubrir cómo las pequeñas variaciones en la composición química de una batería de iones de litio afectan su rendimiento”, dijo Christopher Robinson, un analista de LUX Research, con sede en Boston. “Esta es una de las áreas más calientes de desarrollo material.”

Pequeñas cantidades de fosfato, níquel, manganeso o cobalto, por ejemplo, pueden tener un gran impacto en el rendimiento de una batería. El alto rendimiento informático, combinado con los avances en software, ayudan a hacer posibles miles de estas proyecciones y simulaciones mucho más rápido de lo que podrían ocurrir en el mundo físico. Los hallazgos deben ser examinados en experimentos del mundo real, pero las pruebas virtuales aceleran enormemente el proceso general.

Mesoescala.

Mientras que los productos de consumo simples utilizan una sola celda de batería, los usos más grandes requieren múltiples celdas que se combinan en paquetes. Romeo Power, con sede en California, se centra en comprender cómo interactúan las celdas una vez que se agrupan y utiliza algoritmos para monitorizar su rendimiento.

La empresa, fundada en 2014 por diseñadores e ingenieros que antes trabajaban para SpaceX, Tesla, Samsung y Amazon, no fabrica celdas de baterías, sino que las compra a las empresas japonesas y coreanas que dominan el sector. Romeo Power combina y optimiza las celdas en sistemas de baterías para cuatro segmentos de la industria: montacargas, almacenamiento estacionario, automóviles y productos de consumo.

El software de simulación ayuda a Romeo Power a analizar rápidamente los factores que incluyen la dinámica de fluidos y el flujo térmico, ambos críticos para optimizar el rendimiento de los sistemas multiceldas.

Sistemas.

Este nivel muestra a los investigadores cómo funciona un paquete de baterías junto con todo el sistema que va a alimentar, por ejemplo, cuando un fabricante conecta un paquete de baterías al resto de los sistemas de un vehículo.

“Con el software, podemos conectar fácilmente la energía mecánica y eléctrica a casi todo lo demás en el vehículo”, dijo Johannes Pumsleitner, un investigador avanzado de Kreisel Electric de Austria. “Podemos crear un sistema completo y empezar a simular el sistema probando cualquier parámetro físico, como voltaje, corrientes o capacidad térmica.” La compañía utiliza celdas de los proveedores para construir paquetes de baterías y sistemas completos de automoción.

El control de la temperatura dentro de una batería es una cuestión delicada debido al riesgo de incendio causado por el sobrecalentamiento. Para investigar y gestionar este desafío, Kreisel Electric puede simular cómo funciona una batería una vez que alcanza un cierto nivel de corriente o de potencia. También simula cómo se comporta una batería en particular a medida que fluctúan las temperaturas externas.

Los sistemas de Kreisel Electric utilizan algoritmos predictivos para anticipar el rendimiento a medida que cambian las influencias externas. “Si el sistema de gestión de la energía del vehículo sabe que va a subir una montaña en los próximos cinco minutos, puede ralentizar un poco los paquetes de baterías para asegurarse de que no se sobrecalienten”, dijo.

Uno de los principales retos que aún quedan por resolver es la vinculación de los sistemas de software responsables de probar y analizar las baterías en cada nivel, lo que significa que los fabricantes de paquetes de baterías y los sistemas finales tienen que invertir tiempo y dinero aprendiendo con precisión cómo funcionará una batería.

“El objetivo final es vincular los tres niveles de simulación y control – nano, mesoescala y todo el sistema – para que la estructura atómica de una batería pueda ser comprendida en el contexto del rendimiento total del sistema”, dijo Abraham de Argonne. “En este momento, no está ahí todavía.”

Sin embargo, la mayoría de la industria cree que se pueden obtener beneficios sostenidos, lo que significa que se tendrán que realizar menos pruebas físicas que requieren mucho tiempo. Menos pruebas físicas deberían abrir la tecnología para utilizarla en más aplicaciones.

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