Las 10 tecnologías de batería más avanzadas que impulsarán el futuro

En este artículo, discutimos las 10 tecnologías de batería más avanzadas que impulsarán el futuro. Si desea leer acerca de algunas tecnologías de batería más avanzadas que impulsarán el futuro, vaya directamente a las 5 tecnologías de batería más avanzadas que impulsarán el futuro.

La tecnología avanzada de baterías implica el uso de tecnologías y materiales sofisticados en el diseño y la producción de baterías para mejorar su rendimiento, eficiencia y durabilidad. Esto puede incluir una variedad de áreas de investigación centradas en la creación de baterías con mejor densidad de energía, vida útil y costo, así como el desarrollo de métodos de carga innovadores, como la carga rápida e inalámbrica. Algunas de las tecnologías de baterías avanzadas incluyen ánodos de silicio y metal de litio, electrolitos de estado sólido, diseños avanzados de iones de litio, litio-azufre (Li-S), iones de sodio (iones de Na), baterías de flujo redox (RFB) , baterías Zn-ion, Zn-Br y Zn-aire.

Las baterías avanzadas han encontrado varias aplicaciones en diversas industrias. Actualmente, se están utilizando en dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos e híbridos, sistemas de almacenamiento de energía, dispositivos médicos, equipos industriales y aplicaciones militares. Por ejemplo, Sila Nanotechnologies está trabajando en un nuevo tipo de batería de iones de litio que utiliza un ánodo basado en silicio en lugar de un ánodo de grafito. La compañía afirma que este nuevo tipo de batería tendrá una mayor densidad de energía y tiempos de carga más rápidos en comparación con las baterías de iones de litio tradicionales. La compañía tiene como objetivo aumentar la densidad de energía de las celdas de la batería entre un 20 y un 40%.

El desarrollo y uso de ánodos de silicio y ánodos de metal de litio son dos de los avances materiales más fascinantes para las baterías de iones de litio. El potencial de estos materiales de ánodo para aumentar drásticamente la densidad de energía es emocionante; sin embargo, también se están explorando mejoras en la capacidad de tasa, la seguridad e incluso el costo. Los principales problemas de por vida con el silicio y el litio metálico han ralentizado y restringido el uso comercial hasta este momento. Para las baterías Li-S, la longevidad es un desafío aún mayor.

Dada la importancia del sector de los vehículos eléctricos para la economía mundial en general, se prevé que la tecnología de iones de litio continúe con su posición de liderazgo en el universo de las baterías en el futuro previsible, incluso si está plagado de problemas como la selección de cátodos y ánodos, los avances en el diseño de celdas, y la tasa de desarrollo de la densidad de energía. La mejora de un parámetro de desempeño, como la densidad de energía, el costo o la sustentabilidad, casi siempre tendrá el precio de otro. Esto es cierto incluso cuando se consideran químicas de batería distintas de las basadas en litio.

La densidad de energía generalmente se sacrifica por alternativas a las químicas basadas en litio a favor de mayores credenciales ambientales, costos de capital o de vida reducidos, capacidad de tasa mejorada o ciclo de vida más largo. Al final, los requisitos de una aplicación y un mercado en particular determinan la combinación de características de rendimiento y, en consecuencia, la elección de la tecnología y la química. Los métodos de almacenamiento de mayor duración están aumentando en demanda, por ejemplo, en el almacenamiento de energía estacionario. Esto abre la puerta a innovaciones como la batería de flujo redox, que escala más fácilmente la capacidad de energía y al mismo tiempo permite el uso de materiales activos económicos y ampliamente accesibles.

Por supuesto, el sector de las baterías para vehículos eléctricos es un foco importante para muchos avances en tecnología de baterías, lo que brinda la oportunidad de servir a un mercado donde se espera que la demanda supere los 1500 GWh para 2030. Durante la segunda mitad de la década, se espera que el mercado de baterías para vehículos eléctricos aumente. poner un mayor énfasis en las tecnologías de ánodo de silicio, metal de litio y estado sólido. Asia y China ahora dominan el procesamiento de materiales de iones de litio y la producción de celdas, mientras que EE. UU. y Europa en particular ahora están tratando de construir y desarrollar sus propias cadenas de suministro de baterías, marcando el ritmo para la innovación y el desarrollo de tecnologías de próxima generación para capturar y domesticar el valor.

EE. UU. está emergiendo como líder en tecnología de próxima generación cuando las empresas emergentes se analizan geográficamente como un representante de la innovación, mientras que Europa también tiene una actividad significativa. Sin embargo, cabe señalar que es probable que el desarrollo en Asia esté subrepresentado dada la mayor presencia de los principales fabricantes de baterías y empresas de materiales en la región. Se prevé que el mercado de tecnología avanzada de baterías experimente un crecimiento significativo en los próximos años. Se espera que el tamaño del mercado aumente de 95 700 millones de dólares en 2022 a 136 600 millones de dólares en 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 7,4 %.

Algunas de las próximas tendencias para 2023 en la industria de tecnología avanzada de baterías son un mayor uso de tecnología de estado sólido, integración con energía renovable y materias primas ecológicas. Algunas de las principales empresas en este contexto incluyen Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) y General Motor Company (NYSE:GM). Consulte nuestro artículo sobre las mejores acciones de baterías para comprar según los fondos de cobertura.

Nuestra Metodología

Estos fueron seleccionados de una evaluación cuidadosa de la industria de las baterías. Las tecnologías de baterías que exhiben un potencial de crecimiento basado en la viabilidad de sus prototipos comerciales fueron preferidas para la lista. Además de las ventajas que ofrecen varias tecnologías de baterías avanzadas, también se analizan sus principales inconvenientes, ya que la mejora de un aspecto de la tecnología de baterías suele tener el costo de otro.

Una batería de iones de litio convencional utiliza iones de litio como un componente clave de su electroquímica. Los átomos de litio en el ánodo se ionizan y se separan de sus electrones. La próxima generación de baterías de iones de litio trabajará con innovaciones tecnológicas en el cátodo, lo que permitirá mayores densidades de energía y menores costos. Hay tres tipos de baterías de iones de litio que se utilizan en vehículos eléctricos: ferrofosfato de litio o fosfato de hierro y litio, óxido de cobalto de litio, níquel, manganeso y óxido de aluminio, cobalto y níquel de litio.

A pesar de las ventajas de la ecología y el menor potencial de trabajo, el ánodo de grafito convencional en las baterías de litio enfrenta desafíos, como la capacidad limitada para cumplir con los requisitos de las tendencias emergentes de automóviles eléctricos e híbridos. Las baterías de iones de litio de próxima generación con mayor densidad tienen materiales de ánodo novedosos. Estas baterías tienen el potencial de exhibir una mayor capacidad de energía y una mejor durabilidad de ciclo que el grafito convencional. Actualmente se han encontrado varios métodos de prelitiación para compensar la capacidad irreversible inicial del ánodo. Sin embargo, aún no se han desarrollado aplicaciones comerciales a gran escala. Vea una lista de los 12 países que producen más litio en el mundo.

Empresas como Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) y General Motor Company (NYSE:GM) están ayudando al desarrollo de nuevas tecnologías de baterías como esta.

En las baterías de litio-azufre, el electrodo positivo es azufre y el electrodo negativo está formado por litio metálico. El voltaje de la celda es comparativamente más bajo que el de las celdas de iones de litio y es de aproximadamente 2 V.

Estas baterías tienen una densidad de energía varias veces mayor que las baterías de iones de litio. Li-S tienen energías específicas del orden de 550 Wh/kg. Por el contrario, las baterías de iones de litio convencionales tienen un rango de 150-260 Wh/kg.

El azufre utilizado como cátodo en las baterías de litio-azufre es menos costoso que el cobalto utilizado en las baterías de iones de litio convencionales. Estas baterías tendrán una mayor demanda en el futuro debido a su mayor almacenamiento de energía y rentabilidad.

Las baterías de litio-azufre tienen un gran inconveniente: son reutilizables durante unos 1000 ciclos de carga, mientras que las baterías de iones de litio se pueden recargar entre 2000 y 3000 veces. En 2017 se presentaron baterías de litio-azufre con más de 1500 ciclos de carga y descarga, pero aún no se ha demostrado su ciclo de vida a escala comercial con electrolito pobre.

Una batería de agua salada tiene una solución salina concentrada como electrodos. Las moléculas de agua separan los iones de sodio y cloruro, haciéndolos flotar libremente. El sodio se extrae de la solución mientras se carga la batería y el agua salada extraída se descarga con oxígeno disuelto en ella. Esto funciona como un oxidante para producir electricidad.

A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, estas baterías no utilizan electrolitos inflamables, lo que las hace mucho más seguras y fáciles de fabricar, usar y reciclar. Los investigadores han descubierto que la solución salina muestra una estabilidad electroquímica de hasta 2,6 voltios. Las baterías de agua salada se pueden recargar durante 5000 ciclos durante su vida útil. Sin embargo, estas baterías se pueden utilizar más allá de los ciclos indicados ya que son inflamables y no explosivas.

Al tener una alta densidad de energía, pueden alimentar dispositivos electrónicos durante más tiempo. Sin embargo, para lograr ese nivel de densidad, las baterías deben construirse más grandes y requieren más materiales. Esto, a su vez, aumenta el costo de producción y el tamaño de las baterías de agua salada. Por lo tanto, estas baterías no se utilizan comercialmente.

A diferencia de las baterías de litio convencionales, que utilizan electrolitos líquidos y de gel de polímero, las baterías de estado sólido utilizan electrodos sólidos y un electrolito sólido compuesto de cerámica como óxidos, vidrio y sulfuros, etc. Estas baterías tienen una densidad de energía más alta que las baterías de iones de litio y podría recargarse hasta siete veces con una vida útil de diez años.

Las baterías de estado sólido pueden reducir la huella de carbono de un vehículo eléctrico en un 24 %. La investigación ha demostrado que el uso de materiales adicionales en estas baterías puede reducir aún más la huella de carbono de un vehículo eléctrico en un 39 %. También se utilizan en marcapasos, etiquetas RFID y dispositivos portátiles.

Toyota Motor es considerado el líder en patentes de baterías de estado sólido. Actualmente, los vehículos eléctricos con baterías de estado sólido no están disponibles comercialmente, pero se espera que se utilicen en vehículos eléctricos a partir de 2025. Además, BMW y Ford están probando baterías de estado sólido en vehículos eléctricos. Las principales empresas en el mercado de estado sólido son Robert Bosch, Cymbet, BrightVolt, Samsung SDI, QuantumScape, SolidEnergy Systems y Toyota Motor Corporation, etc.

El cobalto, que es un elemento clave en la producción de baterías de iones de litio convencionales, se considera un metal caro. Además, entre el 50 y el 60 % de los recursos mundiales de cobalto se encuentran en el políticamente inestable Congo (RDC) y se extraen en condiciones laborales cuestionables. Las baterías sin cobalto brindan una solución a este problema mediante el uso de materiales alternativos como cátodo en las baterías de iones de litio.

Las químicas de iones de litio libres de cobalto incluyen fosfato ferroso de litio y titanato de litio. El manganeso y el níquel también se utilizan como metales de electrodos para baterías sin cobalto. Estas alternativas son menos costosas que las baterías estándar a base de cobalto. Las baterías de iones a base de níquel tienen una mayor densidad de energía que las baterías a base de cobalto, lo que significa que consumen menos espacio y tienen más energía. Las baterías sin cobalto también son menos tóxicas para el medio ambiente.

Tesla, un importante fabricante de vehículos eléctricos, declaró que casi todos los automóviles producidos en el primer trimestre usaban baterías de fosfato de hierro sin cobalto. SVOLT, otro fabricante de baterías para vehículos eléctricos, fabrica baterías sin cobalto utilizando níquel y manganeso. El material del cátodo utilizado por la empresa contiene 75% de níquel y 25% de manganeso.

Empresas como Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) y General Motor Company (NYSE:GM) están ayudando al desarrollo de nuevas tecnologías de baterías como esta.

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Divulgación. Ninguno. Las 10 tecnologías de batería más avanzadas que impulsarán el futuro se publicó originalmente en Insider Monkey.

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