Ciencia y Tecnología
En la búsqueda por eliminar el litio de las baterías, hemos encontrado el mejor candidato: baterías de iones multivalentes
Las baterías de iones de litio mueven el mundo y, en la era de la electrificación, cada vez son más importantes. Tienen una serie de limitaciones y el litio es un recurso finito con un alto impacto ambiental, lo que supone un problema si queremos electrificar la movilidad. Ahí entran en juego las futuras baterías de estado sólido, pero mientras tanto, un grupo de investigadores del NJIT ha tenido una idea para dar más vida a la actual tecnología: exprimir al máximo las baterías actuales.
¿Cómo? Con las baterías de iones multivalentes.
Iones multivalentes. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Nueva Jersey -NJIT- tuvo una idea. Si el litio es clave para las baterías actuales, pero también escaso, podríamos utilizar elementos más abundantes como el magnesio, el calcio, el aluminio o el zinc como reemplazo o para ‘dopar’ las baterías actuales. El objetivo era mantener, como mínimo, las propiedades de las baterías actuales y, si era posible, mejorar las prestaciones de almacenamiento sin depender del litio.
Ahí entran en juego las baterías de iones multivalentes. Si las de ion-litio tienen una sola carga, las baterías de iones multivalentes que utilizan los elementos antes citados permiten tener dos o incluso tres cargas positivas. Esta propiedad, en teoría, permite almacenar más energía por ion.
No todo es perfecto. Esta propiedad, como exponen en el estudio, permite almacenar más energía por ion, pero si no se utilizan es porque presentan un desafío técnico importante. Los iones multivalentes son más grandes que los de litio y tienen una carga mayor, lo que dificulta su movimiento dentro de los materiales actuales.
Por ponerlo fácil, imagina que el interior de las celdas de una batería de iones de litio es una esponja con cierto número de recovecos que atrapa partículas. En una batería de iones multivalentes, tiene más huecos y cada uno atrapa más partículas, pero la esponja también es mayor.
Acelerado por la IA. Esa era la gran limitación de la industria tecnológica, pero lo que han hecho los investigadores del NJIT es poner a la inteligencia artificial a trabajar. En este contexto, el uso de la IA es ideal porque permite simular un gran abanico de posibilidades, de las cuales se aíslan las más convincentes para ponerlas a prueba. El fin de la IA era encontrar nuevos compuestos viables para crear baterías de iones multivalentes y, para ello, usaron un enfoque dual.
Por un lado, un modelo llamado CDVAE (Autoencoder Variacional de Difusión Cristalina) que fue entrenado con estructuras cristalinas conocidas para generar nuevos materiales. Por otro, un modelo de lenguaje de gran escala LLM afinado para seleccionar sólo las estructuras más termodinámicamente estables. Cuando finalizaron el trabajo, descubrieron cinco nuevos óxidos metálicos porosos que se muestran como ideales para transportar iones multivalentes de forma rápida y segura.
“Uno de los mayores obstáculos no era la falta de químicas prometedoras para baterías, sino la imposibilidad práctica de probar millones de combinaciones de materiales”, explicó Dibakar Datta, líder del equipo de investigación. “Recurrimos a la inteligencia artificial generativa como una forma rápida y sistemática de explorar ese vasto panorama y detectar las pocas estructuras que realmente podrían hacer prácticas las baterías multivalentes”.
Estructuras aisladas por los modelos de IA. La Sección A es la del CDVAE. La B es la del LLM
Más allá de las baterías. El equipo afirma que validó las estructuras generadas por la IA utilizando simulaciones mecánico-cuánticas y pruebas de estabilidad, confirmando que esos materiales aislados podían ser sintetizados con un gran potencial para aplicaciones en el mundo real. Actualmente, y con esos resultados, desde la NJIT se encuentran colaborando con otros laboratorios para sintetizar y probar esos materiales diseñados por la IA.
Y algo que destaca Datta es que, como efecto colateral en la investigación, han demostrado una vez más que la IA puede ser “un método rápido y escalable para explorar cualquier material avanzado, desde electrónica hasta soluciones de energía limpia, sin depender de pruebas extensas por ensayo y error”. Una vez aislados los mejores resultados, claro, toca probarlos en el mundo real, pero gran parte del trabajo previo se acelera considerablemente.
¿Un mero parche? Ahora bien, aunque cambiar la ‘fórmula’ de las baterías de iones de litio puede ser un buen parche, el objetivo de la industria sigue puesto en la implantación de las baterías de estado sólido. El catalizador en ellas no es un líquido, sino un sólido que permite solventar muchos de los problemas de las baterías actuales, a la vez que ofrece una mayor densidad energética y tiempos de carga más rápidos.
Son baterías que ya están desarrolladas y que están siendo impulsadas por buena parte de la industria automotriz, pero el problema es que es una tecnología más cara y no está asentada. Llevándolo al mundo real, por ejemplo, Mercedes ya está en ello, mientras otras marcas como BMW dicen que, por el momento, no están en sus planes debido a, precisamente, el precio.
Imágenes | NJIT, Cell Reports Physical Science, Kumpan Electric
En Xataka | Al litio de las baterías le ha salido un sustituto extraordinariamente prometedor. Y sí, lo tiene todo
–
La noticia
En la búsqueda por eliminar el litio de las baterías, hemos encontrado el mejor candidato: baterías de iones multivalentes
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Alejandro Alcolea
.
Las baterías de iones de litio mueven el mundo y, en la era de la electrificación, cada vez son más importantes. Tienen una serie de limitaciones y el litio es un recurso finito con un alto impacto ambiental, lo que supone un problema si queremos electrificar la movilidad. Ahí entran en juego las futuras baterías de estado sólido, pero mientras tanto, un grupo de investigadores del NJIT ha tenido una idea para dar más vida a la actual tecnología: exprimir al máximo las baterías actuales.
¿Cómo? Con las baterías de iones multivalentes.
Iones multivalentes. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Nueva Jersey -NJIT- tuvo una idea. Si el litio es clave para las baterías actuales, pero también escaso, podríamos utilizar elementos más abundantes como el magnesio, el calcio, el aluminio o el zinc como reemplazo o para ‘dopar’ las baterías actuales. El objetivo era mantener, como mínimo, las propiedades de las baterías actuales y, si era posible, mejorar las prestaciones de almacenamiento sin depender del litio.
Ahí entran en juego las baterías de iones multivalentes. Si las de ion-litio tienen una sola carga, las baterías de iones multivalentes que utilizan los elementos antes citados permiten tener dos o incluso tres cargas positivas. Esta propiedad, en teoría, permite almacenar más energía por ion.
En Xataka
Un combustible primitivo y milenario aspira a solucionar nuestros problemas energéticos: el hierro
No todo es perfecto. Esta propiedad, como exponen en el estudio, permite almacenar más energía por ion, pero si no se utilizan es porque presentan un desafío técnico importante. Los iones multivalentes son más grandes que los de litio y tienen una carga mayor, lo que dificulta su movimiento dentro de los materiales actuales.
Por ponerlo fácil, imagina que el interior de las celdas de una batería de iones de litio es una esponja con cierto número de recovecos que atrapa partículas. En una batería de iones multivalentes, tiene más huecos y cada uno atrapa más partículas, pero la esponja también es mayor.
Acelerado por la IA. Esa era la gran limitación de la industria tecnológica, pero lo que han hecho los investigadores del NJIT es poner a la inteligencia artificial a trabajar. En este contexto, el uso de la IA es ideal porque permite simular un gran abanico de posibilidades, de las cuales se aíslan las más convincentes para ponerlas a prueba. El fin de la IA era encontrar nuevos compuestos viables para crear baterías de iones multivalentes y, para ello, usaron un enfoque dual.
Por un lado, un modelo llamado CDVAE (Autoencoder Variacional de Difusión Cristalina) que fue entrenado con estructuras cristalinas conocidas para generar nuevos materiales. Por otro, un modelo de lenguaje de gran escala LLM afinado para seleccionar sólo las estructuras más termodinámicamente estables. Cuando finalizaron el trabajo, descubrieron cinco nuevos óxidos metálicos porosos que se muestran como ideales para transportar iones multivalentes de forma rápida y segura.
“Uno de los mayores obstáculos no era la falta de químicas prometedoras para baterías, sino la imposibilidad práctica de probar millones de combinaciones de materiales”, explicó Dibakar Datta, líder del equipo de investigación. “Recurrimos a la inteligencia artificial generativa como una forma rápida y sistemática de explorar ese vasto panorama y detectar las pocas estructuras que realmente podrían hacer prácticas las baterías multivalentes”.
Estructuras aisladas por los modelos de IA. La Sección A es la del CDVAE. La B es la del LLM
Más allá de las baterías. El equipo afirma que validó las estructuras generadas por la IA utilizando simulaciones mecánico-cuánticas y pruebas de estabilidad, confirmando que esos materiales aislados podían ser sintetizados con un gran potencial para aplicaciones en el mundo real. Actualmente, y con esos resultados, desde la NJIT se encuentran colaborando con otros laboratorios para sintetizar y probar esos materiales diseñados por la IA.
Y algo que destaca Datta es que, como efecto colateral en la investigación, han demostrado una vez más que la IA puede ser “un método rápido y escalable para explorar cualquier material avanzado, desde electrónica hasta soluciones de energía limpia, sin depender de pruebas extensas por ensayo y error”. Una vez aislados los mejores resultados, claro, toca probarlos en el mundo real, pero gran parte del trabajo previo se acelera considerablemente.
¿Un mero parche? Ahora bien, aunque cambiar la ‘fórmula’ de las baterías de iones de litio puede ser un buen parche, el objetivo de la industria sigue puesto en la implantación de las baterías de estado sólido. El catalizador en ellas no es un líquido, sino un sólido que permite solventar muchos de los problemas de las baterías actuales, a la vez que ofrece una mayor densidad energética y tiempos de carga más rápidos.
Son baterías que ya están desarrolladas y que están siendo impulsadas por buena parte de la industria automotriz, pero el problema es que es una tecnología más cara y no está asentada. Llevándolo al mundo real, por ejemplo, Mercedes ya está en ello, mientras otras marcas como BMW dicen que, por el momento, no están en sus planes debido a, precisamente, el precio.
Imágenes | NJIT, Cell Reports Physical Science, Kumpan Electric
En Xataka | Al litio de las baterías le ha salido un sustituto extraordinariamente prometedor. Y sí, lo tiene todo
– La noticia
En la búsqueda por eliminar el litio de las baterías, hemos encontrado el mejor candidato: baterías de iones multivalentes
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Alejandro Alcolea
.