En medio del crecimiento explosivo de industrias emergentes como el transporte eléctrico y la economía de baja altitud, la preocupación por la duración de las baterías de litio tradicionales cobra cada vez mayor relevancia. Recientemente, un equipo dirigido por los profesores Hu Wenbin y Han Xiaopeng, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tianjin, en colaboración con Ouyang Xiaoping, investigador del Instituto Noroeste de Tecnología Nuclear y académico de la Academia China de Ingeniería, y Guo Hao, ingeniero sénior del Laboratorio Nacional Clave de Fuentes de Energía Química Especial, desarrolló un revolucionario sistema de electrolitos «deslocalizados». Este sistema aumenta la densidad energética de las baterías de metal-litio a 600 vatios-hora por kilogramo, triplicando la duración de las baterías comerciales existentes. Este logro, publicado en la revista internacional Nature el 13 de agosto, marca un cambio significativo para ser un actor líder en el mercado global de baterías de alta energía.
La ansiedad por la duración de la batería es cada vez más frecuente.
«El crecimiento explosivo de las industrias emergentes ha impuesto exigencias sin precedentes al rendimiento de las baterías», explicó Hu Wenbin. Los vehículos eléctricos requieren mayor autonomía. Los vehículos aéreos no tripulados en la economía de baja altitud requieren con urgencia fuentes de alimentación ligeras y de alta densidad energética, y el sector del almacenamiento de energía verde exige soluciones de almacenamiento de energía eficientes y estables.
Sin embargo, las baterías de iones de litio tradicionales, ampliamente utilizadas, están mostrando signos de deterioro. Actualmente, la densidad energética de las baterías de iones de litio comerciales se mantiene generalmente en 200-300 vatios-hora por kilogramo, lo que no satisface los requisitos de largo alcance y peso ligero de aplicaciones como drones y vehículos eléctricos de alta gama.
Tomando como ejemplo la economía de baja altitud, según los últimos datos de la Administración de Aviación Civil de China, el tamaño del mercado de drones civiles de mi país superará los 120.000 millones de yuanes en 2023, pero la duración de vuelo de los drones suele limitarse a entre 30 y 60 minutos. «Las baterías representan entre el 30% y el 40% del peso de un dron. Una densidad energética insuficiente limita directamente su radio de acción y su capacidad de carga», declaró Hu Wenbin. De igual manera, en el sector de los vehículos eléctricos, persiste la preocupación del consumidor por la autonomía. Si bien los modelos convencionales tienen una autonomía de entre 500 y 700 kilómetros, problemas como la degradación de las baterías en invierno y las pérdidas rápidas de carga siguen siendo importantes.
La densidad energética y el rendimiento de las baterías tradicionales de iones de litio se están acercando a sus límites teóricos. En cambio, las baterías de metal de litio, cuya densidad energética teórica supera con creces la de las baterías tradicionales de iones de litio, son muy esperadas. Hu Wenbin explicó: «La capacidad específica teórica del metal de litio es más de diez veces superior a la de los ánodos de grafito existentes. Las baterías que utilizan metal de litio como ánodos pueden, en teoría, alcanzar un salto cualitativo en densidad energética».
«Esto no es solo una necesidad para la modernización tecnológica, sino también una decisión inevitable para el desarrollo industrial», opina Hu Wenbin. La poderosa sinergia entre el inmenso potencial tecnológico y la apremiante demanda industrial está impulsando la intensificación de los esfuerzos de investigación a nivel mundial, buscando avances clave en el desarrollo de una nueva generación de baterías secundarias de litio de alta energía, lo que impulsa con fuerza el desarrollo sostenible de esta industria emergente.
El nuevo concepto de diseño rompe las limitaciones tradicionales.
Frente al cuello de botella técnico de las baterías de litio tradicionales, un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Tianjin propuso de manera innovadora un concepto de diseño de electrolito «deslocalizado» para baterías de litio de metal secundario de alta energía, rompiendo las limitaciones de las estructuras de solvatación tradicionales.
La fórmula electrolítica utilizada en las baterías de litio tradicionales es relativamente simple. Este sistema altamente estructurado limita el comportamiento reactivo de los iones de litio. Han Xiaopeng explicó que los electrolitos tradicionales se basan en una única estructura dominada por el solvente, y que la transmisión y el comportamiento reactivo de los iones de litio, así como la estabilidad de la interfaz, son difíciles de controlar con precisión, lo que dificulta el equilibrio entre la densidad energética, la vida útil y la seguridad de la batería.
Para abordar este desafío, el equipo de investigación aprovechó las fortalezas disciplinarias de la Universidad de Tianjin y fortaleció la integración de múltiples disciplinas, como la ciencia de los materiales, la electroquímica, la inteligencia artificial y el almacenamiento de energía. Desarrollaron una plataforma de cribado de alto rendimiento para disolventes electrolíticos y componentes de sales de litio, integrando algoritmos avanzados con la plataforma para acortar significativamente el ciclo de desarrollo de los sistemas electrolíticos.
Simultáneamente, el equipo participó activamente en la colaboración internacional y la innovación colaborativa entre la industria, el mundo académico y la investigación, fortaleciendo las colaboraciones con la Universidad Nacional de Singapur, el Laboratorio Nacional Clave de Fuentes de Energía Químicas Especializadas y varias empresas nacionales líderes para abordar conjuntamente los principales desafíos tecnológicos y promover la innovación y las aplicaciones de ingeniería originales.
La principal innovación del equipo reside en romper con la dependencia del electrolito tradicional de una única estructura dominada por el disolvente. «Al introducir un sistema multicomponente, hemos creado un microambiente de solvatación más libre, diverso y desordenado, lo que aumenta significativamente la diversidad compositiva y la redundancia del electrolito», explicó Han Xiaopeng. Este diseño facilita el transporte eficiente de iones de litio en microambientes complejos y permite un control preciso del comportamiento de reacción del electrodo y la estabilidad de la interfaz.
El equipo combinó una variedad de técnicas espectrales de alta resolución con métodos de simulación teórica de múltiples escalas para revelar profundamente el mecanismo de acción del electrolito «deslocalizado» a nivel molecular: puede reducir eficazmente la barrera energética para la migración de iones de litio, al tiempo que inhibe las reacciones secundarias en la interfaz del electrodo y mejora la reversibilidad de la reacción, mejorando así la densidad de energía y garantizando al mismo tiempo el ciclo de vida y la seguridad de la batería.
Gracias a esta innovación clave, el equipo fue pionero a nivel mundial en desarrollar baterías de litio-litio de paquete blando con una densidad energética superior a 600 vatios-hora/kilogramo y baterías modulares con una densidad energética superior a 480 vatios-hora/kilogramo. Los indicadores de rendimiento principales son entre dos y tres veces superiores a los de las baterías de iones de litio convencionales existentes, lo que representa un paso clave hacia la aplicación práctica de la tecnología de baterías de alta energía.
Proceso de industrialización acelerado.
Esta innovadora tecnología ha pasado del laboratorio a la aplicación industrial. Aprovechando plataformas nacionales de investigación como la Plataforma Nacional de Innovación para la Integración de la Industria y la Educación en Tecnología de Almacenamiento de Energía de la Universidad de Tianjin y el Laboratorio Nacional Clave de Materiales Funcionales de Metales Preciosos, el equipo de investigación promueve activamente la transformación tecnológica y la verificación de aplicaciones de los resultados de la investigación. Ya han establecido una línea piloto de producción de baterías de litio de metal secundario de alta energía con derechos de propiedad intelectual independientes.
En cuanto a los escenarios de aplicación, esta tecnología se ha implementado por primera vez en tres modelos de vehículos aéreos no tripulados (UAV) totalmente eléctricos en miniatura, demostrando su excepcional resistencia a la intemperie, alcanzando un kilómetro por gramo de batería. «Las pruebas han demostrado que la autonomía de los UAV equipados con esta batería es aproximadamente 2,8 veces mayor que la de las baterías convencionales existentes, lo que ha obtenido el reconocimiento unánime tanto del fabricante como del usuario», explicó Hu Wenbin.
Cabe destacar que el equipo ha dominado sistemáticamente las tecnologías clave para baterías de litio de metal secundario de alta energía a lo largo de toda la cadena de suministro, desde el electrolito hasta los electrodos y las celdas. La línea de producción cuenta con capacidades de producción por lotes altamente consistentes y confiables, lo que establece un sistema de ingeniería preliminar para la producción a gran escala. Las materias primas clave y los flujos de proceso requeridos se controlan de forma independiente.
«Se espera que la línea de producción piloto esté completamente operativa en la segunda mitad de este año y proporcione un sólido respaldo para la aplicación a gran escala de la nueva generación de sistemas de almacenamiento de energía de alta densidad energética», afirmó Hu Wenbin.
De cara al futuro, esta tecnología ofrece amplias posibilidades de aplicación en diversos campos de vanguardia, como la industria aeroespacial, los vehículos de nuevas energías, la economía de baja altitud, la electrónica de consumo y la inteligencia artificial. No solo impulsará un desarrollo de vanguardia en áreas clave como el aligeramiento y la prolongación del vuelo de aeronaves, vehículos eléctricos y equipos electrónicos de alto rendimiento, sino que también impulsará la modernización coordinada de las industrias de producción y distribución, incluyendo materiales, fabricación y equipos. Apoyará el desarrollo de un sistema de energía verde y mejorará las capacidades de fabricación inteligente, contribuyendo así a los objetivos de «carbono dual» del país, la estrategia de desarrollo de «nueva productividad de calidad» y la transformación de su estructura energética, ayudando a obtener una ventaja estratégica en la competencia global por las nuevas tecnologías energéticas.
