En nuestro futuro mundo electrificado, se prevé que la demanda de almacenamiento de baterías sea enorme, llegando a más de 2 a 10 teravatios-hora TWh de producción anual de baterías para 2030, desde menos de 0,5 TWh en la actualidad. Sin embargo, las preocupaciones sonen cuanto a si las materias primas clave serán adecuadas para satisfacer esta demanda futura. La batería de iones de litio, la tecnología dominante en el futuro previsible, tiene un componente hecho de cobalto y níquel, y esos dos metales enfrentan severas restricciones de suministro enel mercado global.
Ahora, después de varios años de investigación dirigida por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, los científicos han logrado un progreso significativo en el desarrollo de cátodos de baterías utilizando una nueva clase de materiales que proporcionan a las baterías la misma, si no mayor, densidad de energía que el litio convencional.baterías de iones, pero pueden estar hechas de metales baratos y abundantes. Conocido como DRX, que significa sal de roca desordenada con exceso de litio, esta nueva familia de materiales se inventó hace menos de 10 años y permite fabricar cátodos sin níquel ni cobalto.
"La batería clásica de iones de litio nos ha servido bien, pero a medida que consideramos las demandas futuras de almacenamiento de energía, su dependencia de ciertos minerales críticos nos expone no solo a riesgos de la cadena de suministro, sino también a problemas ambientales y sociales", dijo Ravi.Prasher, director de laboratorio asociado de tecnologías energéticas de Berkeley Lab. "Con los materiales DRX, esto ofrece a las baterías de litio el potencial de ser la base de tecnologías de baterías sostenibles para el futuro".
El cátodo es uno de los dos electrodos de una batería y representa más de un tercio del costo de una batería. Actualmente, el cátodo de las baterías de iones de litio utiliza una clase de materiales conocidos como NMC, con níquel, manganeso,y cobalto como ingredientes clave.
"He realizado investigaciones sobre cátodos durante más de 20 años, buscando nuevos materiales, y DRX es el mejor material nuevo que he visto hasta ahora", dijo el científico de baterías de Berkeley Lab, Gerbrand Ceder, quien lidera la investigación. "Con la clase NMC actual, que está restringida a níquel, cobalto y un componente inactivo hecho de manganeso, la batería clásica de iones de litio está al final de su curva de rendimiento a menos que se transfiera a nuevos materiales de cátodo, y eso es lo queEl programa DRX ofrece. Los materiales DRX tienen una enorme flexibilidad de composición, y esto es muy poderoso porque no solo puede usar todo tipo de metales abundantes en un cátodo DRX, sino que también puede usar cualquier tipo de metal para solucionar cualquier problema que pueda surgir.durante las primeras etapas del diseño de nuevas baterías. Por eso estamos tan emocionados ".
Riesgos de la cadena de suministro de cobalto y níquel
El Departamento de Energía de EE. UU. DOE ha convertido en una prioridad encontrar formas de reducir o eliminar el uso de cobalto en las baterías. "La industria de las baterías se enfrenta a una enorme escasez de recursos", dijo Ceder. "Incluso a 2 TWh,el rango más bajo de las proyecciones de demanda global, que consumiría casi toda la producción de níquel actual, y con el cobalto ni siquiera estamos cerca. La producción de cobalto hoy es de solo 150 kilotones, y 2 TWh de energía de la batería requerirían 2,000 kilotones de níquel ycobalto en alguna combinación ".
Además, más de dos tercios de la producción mundial de níquel se utiliza actualmente para fabricar acero inoxidable. Y más de la mitad de la producción mundial de cobalto proviene de la República Democrática del Congo, con Rusia, Australia, Filipinas y Cuba.completando los cinco principales productores de cobalto.
En contraste, los cátodos DRX pueden usar casi cualquier metal en lugar de níquel y cobalto. Los científicos de Berkeley Lab se han enfocado en usar manganeso y titanio, que son más abundantes y de menor costo que el níquel y el cobalto.
"El óxido de manganeso y el óxido de titanio cuestan menos de $ 1 por kilogramo, mientras que el cobalto cuesta alrededor de $ 45 por kilogramo y el níquel alrededor de $ 18", dijo Ceder.se vuelve inmejorable y se puede usar en todas partes, para vehículos, la red, y realmente podemos hacer que el almacenamiento de energía sea abundante y económico ".
ordenado vs. desordenado
Ceder y su equipo desarrollaron materiales DRX en 2014. En las baterías, el número y la velocidad de los iones de litio capaces de viajar al cátodo se traduce en la cantidad de energía y potencia que tiene la batería. En los cátodos convencionales, los iones de litio viajan a través del material del cátodoa lo largo de rutas bien definidas y se organizan entre los átomos de los metales de transición generalmente cobalto y níquel en capas ordenadas y ordenadas.
Lo que el grupo de Ceder descubrió fue que un cátodo con una estructura atómica desordenada podría contener más litio, lo que significa más energía, al tiempo que permite que una gama más amplia de elementos sirva como metal de transición. También aprendieron que dentro de ese caos,Los iones de litio pueden saltar fácilmente.
En 2018, la Oficina de Tecnologías de Vehículos en la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE proporcionó fondos para que Berkeley Lab realizara una "inmersión profunda" en los materiales DRX. En colaboración con científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico yLos equipos de UC Santa Barbara, Berkeley Lab, dirigidos por Ceder y Guoying Chen, han logrado un gran progreso en la optimización de los cátodos DRX en baterías de iones de litio.
Por ejemplo, la velocidad de carga, o la rapidez con la que se puede cargar la batería, de estos materiales fue inicialmente muy baja y su estabilidad también fue deficiente. El equipo de investigación ha encontrado formas de abordar estos dos problemas a través del modelado y la experimentación. Se han publicado estudios sobre el uso de la fluoración para mejorar la estabilidad en Materiales funcionales avanzados y Materiales energéticos avanzados ; la investigación sobre cómo habilitar una tasa de carga alta se publicó recientemente en Energía de la naturaleza .
Dado que DRX se puede hacer con muchos elementos diferentes, los investigadores también han estado trabajando en qué elemento sería mejor usar, alcanzando el punto óptimo de ser abundante, económico y proporcionar un buen rendimiento. "DRX ahora se ha sintetizado con casitoda la tabla periódica ", dijo Ceder.
"Esto es ciencia en su máxima expresión: descubrimientos fundamentales que servirán como cimiento de los sistemas en los hogares, vehículos y redes del futuro", dijo Noel Bakhtian, director del Centro de almacenamiento de energía de Berkeley Lab.El éxito en la innovación de baterías durante décadas es nuestra combinación de amplitud y profundidad de experiencia, desde el descubrimiento fundamental hasta la caracterización, síntesis y fabricación, así como los mercados de energía y la investigación de políticas. La colaboración es clave: nos asociamos con la industria y más allá pararesolver problemas del mundo real, lo que a su vez ayuda a impulsar la ciencia líder en el mundo que hacemos en el laboratorio ".
progreso rápido
Tradicionalmente, la comercialización de nuevos materiales para baterías ha tardado de 15 a 20 años; Ceder cree que el progreso en los materiales DRX puede acelerarse con un equipo más grande. "Hemos logrado un gran progreso en los últimos tres años con la inmersión profunda", dijo Ceder."Hemos llegado a la conclusión de que estamos listos para un equipo más grande, por lo que podemos involucrar a personas con un conjunto de habilidades más diverso para realmente perfeccionar esto".
Un equipo de investigación ampliado podría actuar rápidamente para abordar los problemas restantes, incluida la mejora del ciclo de vida o la cantidad de veces que la batería se puede recargar y descargar durante su vida útil y optimizar el electrolito, el medio químico que permite el flujo decarga eléctrica entre el cátodo y el ánodo. Desde que se desarrolló en el laboratorio de Ceder, grupos en Europa y Japón también han lanzado grandes programas de investigación DRX.
"Los avances en las tecnologías de baterías y el almacenamiento de energía requerirán avances continuos en la ciencia fundamental de los materiales", dijo Jeff Neaton, director asociado de ciencias de la energía del laboratorio de Berkeley Lab. "La experiencia, las instalaciones únicas y las capacidades de Berkeley Lab en imágenes y computación avanzados, y la síntesis nos permiten estudiar materiales a escala de átomos y electrones. Estamos bien preparados para acelerar el desarrollo de materiales prometedores como DRX para energía limpia ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Julie Chao. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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