Simplificando la producción de litio

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Cuando se trata de innovaciones en baterías, se presta mucha atención a posibles nuevos productos químicos y materiales. A menudo se pasa por alto la importancia de los procesos de producción para reducir los costos.

Ahora, la empresa derivada del MIT, 24M Technologies, ha simplificado la producción de baterías de iones de litio con un nuevo diseño que requiere menos materiales y menos pasos para fabricar cada celda. La compañía dice que el diseño, al que llama "SemiSolid" por el uso de electrodos pegajosos, reduce los costos de producción hasta en un 40 por ciento. El enfoque también mejora la densidad de energía, la seguridad y la reciclabilidad de las baterías.

A juzgar por el interés de la industria, 24M está en lo cierto. Desde que salió del modo sigiloso en 2015, 24M ha otorgado licencias de su tecnología a empresas multinacionales como Volkswagen, Fujifilm, Lucas TVS, Axxiva y Freyr. Esas tres últimas empresas planean construir gigafactorías (fábricas con una capacidad de producción anual a escala de gigavatios) basadas en la tecnología de 24M en India, China, Noruega y Estados Unidos.

"La plataforma SemiSolid ha sido probada a escala de cientos de megavatios producidos para sistemas residenciales de almacenamiento de energía. Ahora queremos probarla a escala de gigavatios", dice el director general de 24M, Naoki Ota, cuyo equipo incluye al cofundador de 24M, jefe científico y profesor del MIT Yet-Ming Chiang.

Establecer líneas de producción a gran escala es solo la primera fase del plan de 24M. Otro atractivo clave del diseño de su batería es que puede funcionar con diferentes combinaciones de químicas de iones de litio. Eso significa que los socios de 24M pueden incorporar materiales de mejor rendimiento en el futuro sin cambiar sustancialmente los procesos de fabricación.

El tipo de producción rápida y a gran escala de baterías de próxima generación que 24M espera habilitar podría tener un impacto dramático en la adopción de baterías en toda la sociedad, desde el costo y el rendimiento de los automóviles eléctricos hasta la capacidad de las energías renovables para reemplazar los combustibles fósiles.

"Esta es una tecnología de plataforma", dice Ota. "No somos solo un operador de bajo costo y alta confiabilidad. Eso es lo que somos hoy, pero también podemos ser competitivos con la química de próxima generación. Podemos usar cualquier química en el mercado sin que los clientes cambien sus cadenas de suministro. Otros las nuevas empresas están tratando de abordar ese problema mañana, no hoy. Nuestra tecnología puede abordar el problema hoy y mañana".

Un diseño simplificado

chiang,quien es profesor Kyocera de ciencia e ingeniería de materiales del MIT,tuvo su primer vistazo a la producción de baterías a gran escala después de cofundar otra compañía de baterías, A123 Systems, en 2001. Mientras esa compañía se preparaba para salir a bolsa a fines de la década de 2000, Chiang comenzó a preguntarse si podría diseñar una batería que fuera más fácil. para la fabricación.

"Obtuve esta ventana sobre cómo se veía la fabricación de baterías, y lo que me llamó la atención fue que, aunque lo logramos, fue un proceso de fabricación increíblemente complicado", dice Chiang. "Se derivó de la fabricación de cintas magnéticas que se adaptaron a las baterías a fines de la década de 1980".

En su laboratorio en el MIT, donde ha sido profesor desde 1985, Chiang comenzó de cero con un nuevo tipo de dispositivo que llamó "batería de flujo semisólido" que bombea líquidos que transportan electrodos a base de partículas hacia y desde los tanques para almacenar una carga. .

En 2010, Chiang se asoció con W. Craig Carter, profesor POSCO de ciencia e ingeniería de materiales del MIT, y los dos profesores supervisaron a un estudiante, Mihai Duduta '11, que exploró las baterías de flujo para su tesis de grado. En un mes, Duduta había desarrollado un prototipo en el laboratorio de Chiang y nació 24M. (Duduta fue la primera contratación de la empresa).

Pero incluso cuando 24M trabajó con la Oficina de Licencias de Tecnología (TLO) del MIT para comercializar la investigación realizada en el laboratorio de Chiang, la gente de la empresa, incluida Duduta, comenzó a repensar el concepto de batería de flujo. Un análisis de costos interno realizado por Carter, quien fue consultor de 24M durante varios años, finalmente llevó a los investigadores a cambiar de dirección.

Eso dejó a la empresa con montones de lodo pegajoso que formaba los electrodos en sus baterías de flujo. Unas semanas después del análisis de costos de Carter, Duduta, entonces científico investigador sénior en 24M, decidió comenzar a usar la suspensión para ensamblar baterías a mano, mezclando los electrodos pegajosos directamente en el electrolito. La idea prendió.

Los componentes principales de las baterías son los electrodos cargados positiva y negativamente y el material electrolítico que permite que los iones fluyan entre ellos. Las baterías de iones de litio tradicionales utilizan electrodos sólidos separados del electrolito por capas de plásticos y metales inertes, que mantienen los electrodos en su lugar.

Eliminar los materiales inertes de las baterías tradicionales y adoptar la mezcla pegajosa de electrodos le da al diseño de 24M una serie de ventajas.

Por un lado, elimina el proceso intensivo de energía de secado y solidificación de los electrodos en la producción tradicional de iones de litio. La compañía dice que también reduce la necesidad de más del 80 por ciento de los materiales inactivos en las baterías tradicionales, incluidos los costosos como el cobre y el aluminio. El diseño tampoco requiere aglutinante y presenta electrodos extra gruesos, lo que mejora la densidad de energía de las baterías.

"Cuando inicia una empresa, lo más inteligente es revisar todas sus suposiciones y preguntarse cuál es la mejor manera de lograr sus objetivos, que en nuestro caso fueron baterías de bajo costo y de fabricación simple", dice Chiang. "Decidimos que nuestro valor real estaba en hacer una suspensión de iones de litio que fuera electroquímicamente activa desde el principio, con electrolitos, y simplemente usar el electrolito como solvente de procesamiento".

En 2017, 24M participó en el STEX25 Startup Accelerator del Programa de Enlace Industrial del MIT, en el que Chiang y sus colaboradores establecieron conexiones críticas en la industria que ayudarían a asegurar asociaciones tempranas. 24M también ha colaborado con investigadores del MIT en proyectos financiados por el Departamento de Energía.

Habilitación de la revolución de la batería

La mayoría de los socios de 24M están interesados ​​en el mercado de vehículos eléctricos (EV) de rápido crecimiento para sus baterías, y los fundadores creen que su tecnología acelerará la adopción de EV. (Los costos de la batería representan del 30 al 40 por ciento del precio de los vehículos eléctricos, según el Instituto de Investigación Energética).

"Las baterías de iones de litio han hecho grandes mejoras a lo largo de los años, pero incluso Elon Musk dice que necesitamos una tecnología innovadora", dice Ota, refiriéndose al CEO de la empresa de vehículos eléctricos Tesla. "Para hacer que los vehículos eléctricos sean más comunes, necesitamos un gran avance en los costos de producción; no podemos simplemente confiar en la reducción de costos a través de la escala porque ya fabricamos muchas baterías hoy".

24M también está trabajando para probar nuevas químicas de baterías que sus socios podrían incorporar rápidamente en sus gigafábricas. En enero de este año, 24M recibió una subvención del programa ARPA-E del Departamento de Energía para desarrollar y escalar una batería de alta densidad de energía que utiliza un ánodo de metal de litio y un cátodo semisólido para uso en aviación eléctrica.

Ese proyecto es uno de muchos en todo el mundo diseñados para validar nuevas químicas de baterías de iones de litio que podrían permitir una revolución de baterías buscada durante mucho tiempo. A medida que 24M continúa fomentando la creación de líneas de producción globales a gran escala, el equipo cree que está bien posicionado para convertir las innovaciones de laboratorio en productos omnipresentes que cambiarán el mundo.

"Esta tecnología es una plataforma, y ​​nuestra visión es ser como el [sistema operativo] Android de Google, donde otras personas pueden construir cosas en nuestra plataforma", dice Ota. "Queremos hacer eso, pero con hardware. Es por eso que otorgamos licencias para la tecnología. Nuestros socios pueden usar las mismas líneas de producción para obtener los beneficios de las nuevas químicas y enfoques. Esta plataforma brinda a todos más opciones".

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