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Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de mejorar la densidad de energía de estas baterías no recargables o «primarias». Dicen que esto podría permitir un aumento en la vida útil de hasta un 50%, o una disminución correspondiente en el tamaño y el peso para una determinada cantidad de potencia o capacidad energética, al tiempo que mejora la seguridad, con poco o ningún aumento de costos.
Los nuevos hallazgos, que implican reemplazar el electrolito de batería tradicionalmente inactivo con un material activo para el suministro de energía, se informan hoy en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Cienciasen un artículo del becario postdoctoral del MIT Kavanaugh Haining Gao, el estudiante graduado Alejandro Sevilla, el profesor asociado de ingeniería mecánica Betar Gallant y otros cuatro en el MIT y Caltech.
Reemplazar la batería de un marcapasos u otro implante médico requiere cirugía, por lo que cualquier aumento en la vida útil de sus baterías podría tener un impacto significativo en la calidad de vida del paciente, dice Gallant. Las baterías primarias se utilizan para estas aplicaciones esenciales porque pueden entregar aproximadamente tres veces más energía para un tamaño y peso determinados que las baterías recargables.
Esta diferencia de capacidad, dice Gao, hace que las baterías primarias sean «esenciales para aplicaciones donde la carga no es posible o no es práctica». Los nuevos materiales funcionan a la temperatura del cuerpo humano y, por lo tanto, serían adecuados para implantes médicos. Además de los dispositivos implantables, con un mayor desarrollo para que las baterías funcionen de manera eficiente en temperaturas más frías, las aplicaciones también podrían incluir sensores en los dispositivos de seguimiento de envíos, por ejemplo, para garantizar que los requisitos de temperatura y humedad para los envíos de alimentos o medicamentos se mantengan adecuadamente durante todo el envío. tratar. O bien, se pueden usar en vehículos aéreos o submarinos operados de forma remota que deben permanecer listos para desplegarse durante largos períodos de tiempo.
Las baterías de los marcapasos suelen durar entre cinco y diez años, e incluso menos si requieren funciones de alto voltaje, como la desfibrilación. Aún así, para tales baterías, dice Gao, la tecnología se considera madura y «no ha habido grandes innovaciones en la química celular fundamental en los últimos 40 años».
La clave de la innovación del equipo es un nuevo tipo de electrolito: el material que se encuentra entre los dos polos eléctricos de la batería, el cátodo y el ánodo, y permite que los portadores de carga pasen de un lado a otro. Mediante el uso de un nuevo compuesto de flúor líquido, el equipo descubrió que podían combinar algunas de las funciones de cátodo y electrolito en un solo compuesto, llamado catolito. Esto ahorra gran parte del peso de las baterías primarias típicas, dice Gao.
Si bien hay otros materiales además de este nuevo compuesto que teóricamente podrían desempeñar un papel de catolito similar en una batería de alta capacidad, explica Gallant, estos materiales tienen voltajes inherentes más bajos que no coinciden con los del resto del material de la batería convencional. batería de marcapasos. , un tipo conocido como CFX. Dado que la salida total de la batería no puede ser mayor que la del menor de los dos materiales de electrodo, la capacidad adicional se desperdiciaría debido a la falta de coincidencia de voltaje. Pero con el nuevo material, «uno de los principales méritos de nuestros líquidos fluorados es que su voltaje se alinea muy bien con el de CFXdice Galant.
En un clásico FCX batería, el electrolito líquido es fundamental porque permite el paso de partículas cargadas de un electrodo a otro. Pero «esos electrolitos en realidad son químicamente inactivos, por lo que básicamente son un peso muerto», dice Gao. Esto significa que alrededor del 50 % de los componentes clave de la batería, principalmente el electrolito, son materiales inactivos. Pero en el nuevo diseño con el material de catolito fluorado, la cantidad de peso muerto se puede reducir a alrededor del 20 %, dice.
Las nuevas celdas también ofrecen mejoras de seguridad en comparación con otros tipos de productos químicos propuestos que utilizarían materiales de catolito tóxicos y corrosivos, algo que no hace su formulación, dice Gallant. Y las pruebas preliminares han mostrado una vida estable durante más de un año, una característica importante para las baterías primarias, dice.
Hasta ahora, el equipo aún tiene que lograr experimentalmente la mejora total del 50 % en la densidad de energía prevista por su análisis. Demostraron una mejora del 20%, lo que en sí mismo sería una gran victoria para algunas aplicaciones, dice Gallant. El diseño de la celda en sí aún no se ha optimizado por completo, pero los investigadores pueden proyectar el rendimiento de la celda en función del rendimiento del material activo en sí. «Podemos ver que el rendimiento proyectado a nivel de celda cuando se escala puede ser aproximadamente un 50 % mejor que el CFX celular”, dijo. Alcanzar este nivel de forma experimental es el próximo objetivo del equipo.
Sevilla, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, se centrará en este trabajo durante el próximo año. «Me trajeron a este proyecto para tratar de comprender algunas de las limitaciones de por qué no pudimos lograr la densidad de energía total posible», dice. «Mi papel ha sido tratar de llenar los vacíos en términos de comprensión de la reacción subyacente».
Una de las grandes ventajas del nuevo material, según Gao, es que se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación de baterías existentes, simplemente reemplazando un material por otro. Las discusiones preliminares con los fabricantes confirman esta sustitución potencialmente fácil, dice Gao. El material de partida básico, utilizado para otros fines, ya se ha ampliado para la producción, dice, y tiene un precio equivalente al de los materiales que se utilizan actualmente en CF.X Batería. También es probable que el costo de las baterías que utilizan el nuevo material sea comparable al de las baterías existentes, dice. El equipo ya ha presentado una solicitud de patente sobre el catolito y espera que las aplicaciones médicas sean las primeras en llegar al mercado, tal vez con un prototipo a gran escala listo para ser probado en dispositivos reales alrededor de un año.
Más adelante, otras aplicaciones también podrían aprovechar nuevos materiales, como medidores inteligentes de agua o gas que se pueden leer de forma remota, o dispositivos como los transpondedores EZPass, aumentando su vida útil, dicen los investigadores. El poder de los drones o vehículos submarinos requeriría una mayor potencia y, por lo tanto, podría llevar más tiempo desarrollarse. Otros usos podrían incluir baterías para equipos utilizados en sitios remotos, como plataformas de perforación de petróleo y gas, incluidos dispositivos enviados a pozos para monitorear las condiciones.
El equipo también incluyó a Gustavo Hobold, Aaron Melemed y Rui Guo en MIT y Simon Jones en Caltech. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio Lincoln del MIT y la Oficina de Investigación del Ejército.
