Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han utilizado técnicas ómicas utilizadas tradicionalmente en biología para aumentar la longevidad y la eficiencia de las baterías de aviones eléctricos. Su estudio encontró que sales específicas en el electrolito podrían formar una capa protectora sobre las partículas del cátodo, aumentando significativamente la vida útil de la batería y preparando el escenario para un vuelo de prueba planificado en 2025.
Un estudio reciente ha demostrado que una solución electrolítica innovadora identificada mediante una técnica de ciencia biológica ha cuadriplicado el ciclo de vida de las baterías utilizadas en aviones eléctricos.
Cuando se trata de descubrir por qué las baterías de los aviones eléctricos pierden energía con el tiempo, no se suele pensar en recurrir al método de décadas utilizado por los biólogos para estudiar la estructura y función de los componentes de los organismos vivos. Sin embargo, resulta que las ómicas, un campo que ha ayudado a los científicos a desentrañar los misterios del genoma humano, pronto también podrían desempeñar un papel clave para hacer realidad los viajes aéreos libres de carbono.
En un nuevo estudio en la revista zoológico, un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía utilizó técnicas ómicas para estudiar las complejas interacciones dentro del ánodo, cátodo y electrolitos de las baterías de aviones eléctricos. Uno de los descubrimientos más importantes fue el descubrimiento de que ciertas sales mezcladas en el electrolito de la batería forman una capa protectora sobre las partículas del cátodo, haciéndolas más resistentes a la corrosión, aumentando así la vida útil de la batería.
Un equipo de investigación compuesto por científicos de
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Michigan y los socios de la industria ABA (Palo Alto, CA) y 24M (Cambridge, MA), luego diseñaron y probaron una batería de avión eléctrica utilizando su nueva solución de electrolitos. En comparación con las baterías convencionales, la batería ha demostrado un aumento de cuatro veces en el número de ciclos que puede mantener la relación potencia-energía necesaria para el vuelo con viento eléctrico. El siguiente paso del proyecto es que el equipo fabrique suficientes baterías (aproximadamente 100 kWh de capacidad total) para el vuelo de prueba previsto para 2025.
«Los sectores del transporte pesado, incluida la aviación, han sido poco explorados en términos de electrificación», dijo Brett Helms, autor correspondiente del estudio y científico senior de Molecular Foundry del Laboratorio Berkeley. «Nuestro trabajo redefine lo que es posible, ampliando los límites de la tecnología de baterías para permitir una descarbonización profunda».
Brett Helms, científico senior de Molecular Foundry, con Youngmin Ko, investigador postdoctoral, sosteniendo la batería de tipo botón utilizada en esta investigación. Crédito: Jeremy Demarto
Los viajes aéreos eléctricos presentan desafíos únicos
A diferencia de las baterías de vehículos eléctricos que priorizan la energía continua en largas distancias, las baterías de aviones eléctricos enfrentan el desafío único de los requisitos de alta energía para el despegue y el aterrizaje, combinados con una alta densidad de energía para vuelos prolongados.
«En un vehículo eléctrico, te concentras en la capacidad que disminuye con el tiempo», dijo Youngmin Ko, investigador postdoctoral en Molecular Foundry del Laboratorio de Berkeley y autor principal del estudio. «Pero para los aviones, es la pérdida de potencia crítica: la capacidad de lograr una potencia alta y constante para el despegue y el aterrizaje».
Según Coe, los diseños de baterías convencionales se quedan cortos en este sentido, en gran parte debido a la falta de comprensión de lo que sucede en las interfaces entre el electrolito, los ánodos y los cátodos. Ko dijo que entró en juego el enfoque ómico, un método tomado de las ciencias biológicas para interpretar patrones de cambios en las firmas químicas en sistemas complejos.
«Los biólogos utilizan la ómica para estudiar la compleja relación entre la expresión genética y los materiales.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>ADN estructura», dijo Helms. «Entonces, queríamos ver si podíamos usar este mismo método para examinar las firmas químicas de los componentes de la batería e identificar las reacciones que conducen a la pérdida de energía y dónde ocurren».
Los investigadores centraron su análisis en baterías de metal litio con óxidos estratificados de alto voltaje y alta densidad que contienen níquel, manganeso y cobalto. A diferencia de investigaciones anteriores que generalmente pensaban que el problema de la pérdida de energía era el resultado de algo que sucedía en el ánodo de la batería, el equipo notó que la pérdida de energía era causada principalmente por el lado del cátodo. Aquí es donde las partículas se agrietan y corroen con el tiempo, impidiendo el movimiento de la carga y reduciendo la eficiencia de la batería. Además, los investigadores descubrieron que electrolitos específicos pueden controlar la velocidad de corrosión en la interfaz del cátodo.
«Es un resultado que no es obvio», dijo Coe. «Descubrimos que mezclar sales en el electrolito generalmente puede suprimir la reactividad del electrolito.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>EspecieSe formó así un revestimiento estabilizador y resistente a la corrosión.
Después de desarrollar su nuevo electrolito, los investigadores lo probaron en una batería de alta capacidad. Ha demostrado una excelente retención de energía utilizando operaciones reales para despegue y aterrizaje verticales eléctricos. Para finales de año, el equipo espera producir baterías para una prueba de vuelo prevista para 2025 en un prototipo de avión fabricado por los cuatro socios eVTOL (despegue y aterrizaje vertical). De cara al futuro, el equipo de Helms and Co y sus colaboradores planean ampliar el uso de ómicas en la investigación de baterías, explorando las interacciones de diferentes componentes de electrolitos para comprender mejor y adaptar el rendimiento de las baterías en casos de uso actuales y emergentes en el transporte y la red. .
Cita: Youngmin Ko, Michael A. Byrd, Xinxing Peng, Tofunmi Ogunfunmi, Young-Woon Byon, Liana M. Kliwansky, Hajeom Kim, Mary C. «Comprensión basada en ómicas de los electrolitos de baterías de aviones eléctricos» por Scott, John Chen, Anthony J. D’Angelo, Junzheng Chen, Shashank Sripad, Venkatasubramanian Viswanathan y Brett A. Helms, 17 de junio de 2024, zoológico.
DOI: 10.1016/j.julio.2024.05.013
Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio de Berkeley.
Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) del DOE y la Oficina de Ciencias del DOE.
