IA ha descubierto una "poción mágica" que puede revivir baterías agotadas
Los vehículos eléctricos dejan tras de sí montañas de baterías de iones de litio agotadas. Una nueva "inyección" las devuelve a la vida.
Por You Xiaoying, editado por Andrea Thompson
Para: https://www.scientificamerican.com/
Un equipo de investigadores en China ha descubierto una forma de revivir baterías de iones de litio agotadas, reduciendo potencialmente tanto la cantidad de residuos que se acumulan rápidamente en las baterías de vehículos eléctricos (VE) gastadas como la necesidad de producir nuevas.
"El trabajo del equipo es revolucionario porque aporta una nueva idea para reutilizar baterías al final de su vida útil", afirma Jiangong Zhu, de la Universidad Tongji de Shanghái, quien investiga el uso de baterías en VE y no participó en el nuevo estudio, publicado recientemente en Nature.
Se prevé que la cantidad de baterías de iones de litio usadas que deben desecharse aumente de una estimación de 900.000 toneladas métricas este año a 20,5 millones de toneladas métricas para 2040, según un informe publicado por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo en septiembre pasado. Como líder mundial en el despliegue de vehículos eléctricos, China ya gestiona 2,8 millones de toneladas métricas de celdas desechadas al año, según Huang Jianzhong, presidente de la Asociación China de Tecnología de Ahorro de Energía Electrónica, un organismo comercial aprobado por el gobierno.
Con el rápido crecimiento de los mercados de consumo y las pilas de residuos, Yue Gao, químico de la Universidad de Fudan en Shanghái, y sus colegas anticiparon una creciente demanda de baterías de iones de litio de mayor duración.
La batería de un vehículo eléctrico suele alcanzar el final de su vida útil, o cuando su capacidad cae por debajo del 80 % de su nivel original, después de unos ocho a diez años. La batería representa alrededor del 40 % del coste total del vehículo.
Gao y sus colegas querían encontrar una molécula capaz de reponer una célula muerta infundiéndola con iones de litio. Pero "no teníamos ni idea de qué tipos de moléculas podrían realizar esa función ni de cuáles serían sus estructuras químicas, así que recurrimos al aprendizaje automático", explica Chihao Zhao, estudiante de doctorado de la Universidad de Fudan, miembro del equipo de Gao, pero no coautor del nuevo estudio.
Los investigadores utilizaron un modelo de inteligencia artificial entrenado con las reglas de la química. Lo alimentaron con una base de datos de reacciones electroquímicas y le pidieron que buscara moléculas que cumplieran con sus requisitos, como disolverse bien en una solución electrolítica y ser relativamente económicas de producir. El modelo recomendó tres candidatos, y el equipo identificó uno de ellos, una sal llamada trifluorometanosulfinato de litio (LiSO₂CF₃), como ideal.
Los investigadores probaron esta sal de iones de litio disolviéndola en una solución electrolítica, lo que permite que los iones pasen entre los terminales positivo y negativo de una célula. Gao compara esto con administrar una vía intravenosa a un paciente humano. “Si podemos administrar una inyección a una persona enferma para ayudarla a recuperarse”, dice, “¿por qué no podemos tener también una poción mágica para las baterías agotadas?”.
Gao y sus colegas descubrieron que la mezcla química podía prolongar significativamente la vida útil de una celda de batería de fosfato de hierro y litio (LFP). Una batería LFP que alimenta un vehículo eléctrico normalmente puede cargarse y descargarse unas 2000 veces antes de considerarse “muerta” (cuando su capacidad está por debajo del 80%). Al añadir el electrolito cada vez que la batería se acercaba a ese umbral, el equipo logró restaurar la mayor parte de la capacidad de la celda en cada ocasión, y esta continuó funcionando casi tan bien como una batería nueva. Al final del experimento, la celda recuperó el 96 % de su capacidad después de casi 12 000 ciclos de carga y descarga.
Un experimento posterior demostró que el método también funcionaba con baterías de iones de litio NMC (níquel, manganeso y cobalto), afirma Gao.
La Universidad de Fudan colabora actualmente con Zhejiang Yongtai New Material, fabricante chino de materiales para baterías, para comercializar el método, según una publicación de Yongtai en redes sociales. Gao prevé un sistema generalizado de "estaciones de recarga de baterías" donde los propietarios de vehículos eléctricos podrán traer las fuentes de energía agotadas para reabastecerlas.
La idea es prometedora, afirma Chenguang Liu, de la Universidad Xi'an Jiaotong-Liverpool en China, quien investiga materiales para baterías y no participó en el estudio. Sin embargo, menciona algunos desafíos. Por ejemplo, el método deberá ser compatible con diversas composiciones químicas de baterías y debe comprobarse la seguridad de las celdas reactivadas.
Y la energía de los vehículos eléctricos no proviene de una sola celda simple, sino de un paquete de baterías que puede estar compuesto por cientos o incluso miles de celdas, junto con sistemas de control de temperatura y otros componentes. “Solo hemos realizado experimentos con celdas y necesitamos encontrar la manera de aplicarlo a un paquete de baterías completo”, afirma Gao.
El método de su equipo es lo más cercano hasta ahora a un "proceso de reciclaje directo" para baterías de vehículos eléctricos en China, afirma Hans Eric Melin, analista de reutilización y reciclaje de baterías y director general de Circular Energy Storage, una consultora con sede en Londres. (En China, algunas baterías de vehículos eléctricos degradadas se utilizan actualmente para alimentar otros productos que requieren un menor consumo de energía, como ciclomotores eléctricos y centrales de almacenamiento de energía. Otras se trituran y se convierten en residuos industriales llamados "masa negra", de los cuales se pueden extraer materias primas valiosas, como el litio y el grafito).
Melin cree que la propuesta de los investigadores podría tener oportunidades comerciales, aunque señala que es probable que el mercado sea pequeño, ya que la vida útil de una batería de vehículo eléctrico puede alcanzar los 15 años. También requerirá paquetes de baterías diseñados para permitir la inyección del electrolito, señala.
La pregunta”, añade, “es si los beneficios valen la pena si [los cambios necesarios] interfieren de alguna manera con otros aspectos de diseño necesarios para el rendimiento de la batería”.
