Una innovación en los componentes de las baterías podría ayudar a mantener la entrega de energía alta cuando los aviones eléctricos aterrizan con poca carga, según un estudio dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley con experiencia de la Universidad de Michigan.
La investigación proporciona una solución a un problema identificado en 2018 en un estudio dirigido por Venkat Viswanathan, profesor de ingeniería aeroespacial en U-M y coautor del nuevo trabajo publicado en Joule.
“Tanto el despegue como el aterrizaje requieren mucha energía, y el aterrizaje es más desafiante porque no estás completamente cargado”, dijo Viswanathan. “Para obtener mucha energía, debes reducir todas las resistencias. Cualquier cosa que afecte la capacidad de entregar esa energía”.
El equipo enfatizó que esto es distinto de las necesidades de las baterías de los vehículos eléctricos, que principalmente necesitan mantener sus rangos.
“En un vehículo eléctrico, te enfocas en la atenuación de la capacidad con el tiempo”, dijo Youngmin Ko, investigador postdoctoral en Molecular Foundry de Berkeley Lab y autor principal del estudio de Joule. “Pero para los aviones, es la atenuación de la potencia lo que es crítico, la capacidad de lograr constantemente una alta potencia para el despegue y el aterrizaje”.
Tanto la atenuación de la capacidad como la atenuación de la potencia suelen ocurrir cuando los iones de litio ya no pueden moverse fácil y rápidamente dentro y fuera de los electrodos. Si bien la clave para la atenuación de la capacidad es la cantidad de iones de litio que pueden moverse entre los electrodos, el factor principal para la atenuación de la potencia es la velocidad. El problema es que se acumula corrosión en los electrodos, ocupando espacio que podría haber albergado iones de litio y dificultando que el litio llegue a los espacios disponibles.
Bajo el liderazgo de Brett Helms, autor correspondiente del estudio y científico principal del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab, el equipo exploró las interacciones entre los electrodos y el electrolito usando un enfoque tomado de la biología. En los estudios de la vida, el campo generalmente llamado “ómica” busca pistas en los componentes de las células: qué genes se están leyendo, qué proteínas se están produciendo, etc.
En este caso, el equipo probó diferentes químicas de electrolitos, observando cambios sutiles que ocurrieron dentro del electrolito en diferentes ubicaciones de la batería durante la carga y descarga. La investigación previa generalmente atribuía la atenuación de la potencia a problemas que surgían en el lado negativo de la batería, ya que el litio metálico es muy reactivo.
Sin embargo, el equipo observó que se estaban formando moléculas dañinas cerca del lado positivo, en este caso óxido de níquel-manganeso-cobalto. Reaccionar con esas moléculas provocó que las partículas del electrodo positivo se agrietaran y se corroyeran con el tiempo, obstaculizando el movimiento del litio y reduciendo la entrega de energía.
“Fue un resultado no obvio”, dijo Ko. “Descubrimos que mezclar sales en el electrolito podría suprimir la reactividad de las especies típicamente reactivas, lo que formó una capa estabilizadora y resistente a la corrosión”.
La empresa 24M (Cambridge, MA), luego construyó una celda de prueba con esta química y la envió a And Battery Aero (Palo Alto, CA), una startup que Viswanathan cofundó con su antiguo estudiante de doctorado Shashank Sripad, coautor de este estudio y el de 2018.
Sripad probó la celda extrayendo energía de ella repetidamente en una secuencia realista de despegue, vuelo y aterrizaje, como si la celda fuera parte de un módulo de batería completo que alimenta un avión eléctrico. En comparación con las baterías convencionales, la nueva celda mantuvo la relación potencia-energía necesaria para el vuelo eléctrico durante cuatro veces más.
“Los sectores de transporte pesado, incluida la aviación, han sido poco explorados en términos de electrificación”, dijo Helms. “Nuestro trabajo redefine lo que es posible, superando los límites de la tecnología de baterías para permitir una descarbonización más profunda”.
A continuación, 24M construirá una batería completa que And Battery Aero probará en un banco de hélices, haciendo funcionar la hélice a través de la secuencia de vuelo repetidamente. Luego, el próximo año, el equipo tiene la intención de intentar realizar una prueba de vuelo eléctrico con esas baterías.
El equipo, que incluye científicos de la Universidad de California, Berkeley, también planea expandir el uso de la ómica en la investigación de baterías, explorando las interacciones de varios componentes de electrolitos para comprender y adaptar aún más el rendimiento de las baterías para casos de uso actuales y emergentes en el transporte y la red.
Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.
Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía (ARPA-E) del DOE y la Oficina de Ciencias del DOE (Ciencias Básicas de la Energía).
Viswanathan y Sripad tienen un interés financiero en And Battery Aero.
Estudio: “Comprensión habilitada por la ómica de los electrolitos de las baterías de aviones eléctricos” (DOI: 10.1016/j.joule.2024.05.013)
Modificado de un artículo de William Ferguson para Berkeley Lab.
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