Cómo los rayos X pueden hacer mejores baterías

Cómo los rayos X pueden hacer mejores baterías

En un periodo de tres meses, el coche medio de Estados Unidos produce una tonelada métrica de dióxido de carbono. Multiplique eso por todos los coches de gasolina de la Tierra, ¿y qué parece? Un problema insuperable.

Pero las nuevas investigaciones dicen que hay esperanza si nos comprometemos a tener cero emisiones netas de carbono para 2050 y a sustituir los vehículos que consumen mucha gasolina por vehículos eléctricos, entre otras muchas soluciones de energía limpia.

Para ayudar a nuestra nación a cumplir este objetivo, científicos como William Chueh y David Shapiro están trabajando juntos para idear nuevas estrategias que permitan diseñar baterías más seguras y de larga duración fabricadas con materiales sostenibles y abundantes en la Tierra.

Chueh es profesor asociado de ciencia e ingeniería de los materiales en la Universidad de Stanford y pretende rediseñar la “batería” moderna desde la base. Utiliza las herramientas más avanzadas de las instalaciones de usuarios científicos del Departamento de Energía de EE.UU., como la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio de Berkeley y la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrónica de Stanford (SLAC), instalaciones de sincrotrón que generan brillantes haces de luz de rayos X, para desvelar la dinámica molecular de los materiales de las baterías en funcionamiento.

Durante casi una década, Chueh ha colaborado con Shapiro, un científico de alto nivel en el ALS y un destacado experto en sincrotrón, y juntos, su trabajo ha dado lugar a nuevas y sorprendentes técnicas que revelan por primera vez cómo funcionan los materiales de las baterías en acción, en tiempo real, a escalas sin precedentes e invisibles a simple vista.

En esta entrevista hablan de su trabajo pionero.

P: ¿Qué les llevó a interesarse por la investigación sobre baterías/almacenamiento de energía?

Chueh: Mi trabajo está impulsado casi por completo por la sostenibilidad. Me involucré en la investigación de materiales energéticos cuando era estudiante de posgrado a principios de la década de 2000, y trabajaba en la tecnología de las pilas de combustible. Cuando me incorporé a Stanford en 2012, me resultó obvio que el almacenamiento de energía escalable y eficiente es crucial.

Hoy en día, estoy muy entusiasmado al ver que la transición energética para abandonar los combustibles fósiles se está convirtiendo en una realidad y que se está implementando a una escala increíble.

Tengo tres objetivos: Como primer punto, estoy realizando una investigación fundamental que sienta las bases para hacer posible la transición energética, especialmente en lo que se refiere al desarrollo de materiales. En segundo lugar, estoy formando a científicos e ingenieros de talla mundial que saldrán al mundo real a resolver estos problemas. Y en tercer lugar, estoy tomando la ciencia fundamental y traduciéndola al uso práctico a través de la iniciativa empresarial y la transferencia de tecnología.

Así que espero que esto les dé una visión completa de lo que me motiva y de lo que creo que hace falta para marcar la diferencia: Es el conocimiento, la gente y la tecnología.

Shapiro: Mi formación es en óptica y dispersión coherente de rayos X, así que cuando empecé a trabajar en el ALS en 2012, las baterías no estaban realmente en mi radar. Se me encomendó el desarrollo de nuevas tecnologías para la microscopía de rayos X de alta resolución espacial, pero esto me llevó rápidamente a las aplicaciones y a tratar de averiguar qué hacen los investigadores del Laboratorio de Berkeley y de otros lugares y cuáles son sus necesidades.

En ese momento, alrededor de 2013, había mucho trabajo en el ALS utilizando varias técnicas que explotaban la sensibilidad química de los rayos X suaves para estudiar las transformaciones de fase en los materiales de las baterías, el fosfato de hierro y litio (LiFePO4) en particular, entre otros.

Me impresionó mucho el trabajo de Will, así como el de Wanli Yang, Jordi Cabana (un antiguo científico del Área de Tecnologías Energéticas (ETA) del Laboratorio de Berkeley que ahora es profesor asociado en la Universidad de Illinois Chicago), y otros cuyo trabajo también se basó en el de los investigadores de ETA Robert Kostecki y Marca Doeff.

En aquel momento no sabía nada de las baterías, pero el impacto científico y social de esta área de investigación no tardó en hacerse patente. La sinergia de la investigación en todo el Laboratorio de Berkeley también me pareció muy profunda, y quería averiguar cómo contribuir a ello. Así que empecé a ponerme en contacto con la gente para ver qué podíamos hacer juntos.

Resultó que había una gran necesidad de mejorar la resolución espacial de las mediciones de los materiales de nuestras baterías y de observarlas durante el ciclo, y Will y yo hemos estado trabajando en ello durante casi una década.

P: Will, como científico de baterías, ¿cuál dirías que es el mayor reto para fabricar mejores baterías?

Chueh: Las baterías tienen del orden de 10 métricas que tienes que cooptimizar al mismo tiempo. Es fácil hacer una batería que sea buena en tal vez cinco de las 10, pero hacer una batería que sea buena en todas las métricas es un reto inmenso.

Por ejemplo, digamos que quieres una batería que sea energéticamente densa para poder conducir un coche eléctrico durante 500 millas por carga. Puede que quieras una batería que se cargue en 10 minutos. Y puede querer una batería que dure 20 años. También quieres una batería que no explote nunca. Pero es difícil cumplir todos estos requisitos a la vez.

Lo que intentamos es entender cómo podemos crear una tecnología de batería única que sea segura, duradera y que se pueda cargar en 10 minutos.

Y esos son los conocimientos fundamentales que intentan nuestros experimentos en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley: Descubrir esas compensaciones inexplicables para poder ir más allá de las reglas de diseño actuales, lo que nos permitiría identificar nuevos materiales y nuevos mecanismos para poder liberarnos de esas restricciones.

P: ¿Qué capacidades únicas ofrece el ALS que hayan contribuido a ampliar los límites de la investigación sobre baterías o almacenamiento de energía?

Chueh: Con el fin de entender lo que está pasando, tenemos que verlo. Tenemos que hacer observaciones. Una filosofía clave de mi grupo es aceptar la dinámica y la heterogeneidad de los materiales de las baterías. Un material de batería no es como una roca. No es estático. Se carga y descarga todos los días para los teléfonos y todas las semanas para los coches eléctricos. No vas a entender cómo funciona un coche si no lo conduces.

La segunda parte es que los materiales heterogéneos de las baterías tienen una duración muy larga. Una célula de batería suele tener unos pocos centímetros de altura, pero para entender lo que ocurre en el interior de la batería -y tengo hermosas imágenes para ello- hay que ver hasta la nanoescala y la escala atómica. Eso son unos 10 órdenes de magnitud de longitud.

Lo que la Fuente de Luz Avanzada permite a los científicos como yo es abarcar la heterogeneidad y la dinámica de una pila de una forma sin precedentes: Podemos medir procesos muy lentos. Podemos medir procesos muy rápidos. Podemos medir cosas a escala de muchos cientos de micras (millonésimas de metro). Podemos medir cosas a escala nanométrica (milmillonésima parte de un metro). Todo ello con una increíble herramienta del Laboratorio de Berkeley.

Shapiro: La microscopía de rayos X por transmisión de barrido (STXM) es un método muy popular basado en el sincrotrón. La mayoría de los sincrotrones de todo el mundo tienen al menos un instrumento STXM, mientras que el ALS tiene tres, y un cuarto está en camino a través del proyecto ALS Upgrade (ALS-U).

Creo que algunas cosas hacen que nuestro programa sea único. Como primer punto, tenemos una cartera de instrumentos con especializaciones. Uno de ellos está optimizado para la espectroscopia de elementos ligeros, de modo que un elemento como el oxígeno, que es un ingrediente crítico en la química de las baterías, puede ser caracterizado con precisión.

Otro instrumento se especializa en la cartografía de la composición química con una resolución espacial muy alta. Tenemos el microscopio de rayos X de mayor resolución espacial del mundo. Esto es muy poderoso para acercarse a las reacciones químicas que ocurren dentro de las nanopartículas individuales y las interfaces de una batería.

Nuestro tercer instrumento se especializa en las mediciones “operando” de la química de las baterías, que se necesitan para comprender realmente la evolución física y química que se produce durante el ciclo de la batería.

También hemos trabajado duro para desarrollar sinergias con otras instalaciones del Laboratorio de Berkeley. Por ejemplo, nuestro microscopio de alta resolución utiliza los mismos entornos de muestra que los microscopios electrónicos de la Molecular Foundry, la instalación de usuarios de nanociencia del Laboratorio de Berkeley, por lo que se ha hecho posible sondear el mismo entorno de pila activa tanto con rayos X como con electrones. Will ha utilizado este enfoque correlativo para estudiar las relaciones entre los estados químicos y la tensión estructural en los materiales de las baterías. Esto no se había hecho nunca antes a las escalas de longitud a las que tenemos acceso, y proporciona nuevos conocimientos.

P: ¿Cómo avanzará el proyecto de mejora del ALS en las tecnologías de almacenamiento de energía de nueva generación? ¿Qué ofrecerá el ALS actualizado a los investigadores de baterías/almacenamiento de energía que será exclusivo del Laboratorio de Berkeley?

Shapiro: El ALS actualizado será único por varias razones en lo que respecta a la microscopía. Como primer punto, será la fuente de rayos X blandos más brillante del mundo, proporcionando 100 veces más rayos X en la muestra que lo que tenemos hoy en día. Las técnicas de microscopía de barrido se beneficiarán de esta alta luminosidad.

Esto supone tanto una gran oportunidad como un gran reto. Podemos usar este brillo para medir los datos que obtenemos hoy, pero hacer esto 100 veces más rápido es la parte desafiante.

Estas nuevas capacidades nos darán una visión mucho más precisa desde el punto de vista estadístico de la estructura y la función de las pilas, al ampliarlas a escalas de longitud más grandes y a escalas de tiempo más pequeñas. También podríamos medir los datos al mismo ritmo que hoy, pero con una resolución espacial aproximadamente tres veces más fina, lo que nos llevaría de unos 10 nanómetros a unos pocos nanómetros. Esta es una escala de longitud muy importante para la ciencia de los materiales, pero hoy en día no es accesible mediante la microscopía de rayos X.

Otro aspecto que hará que el ALS actualizado sea único es su proximidad a los conocimientos de la Fundición Molecular; a otras áreas científicas como el Área de Tecnologías Energéticas; y a los centros de investigación energética actuales y futuros con sede en el Laboratorio de Berkeley. Esta sinergia seguirá impulsando la investigación sobre el almacenamiento de energía.

Chueh: En la investigación de las baterías, uno de los retos que tenemos ahora mismo es que tenemos muchos problemas interesantes que resolver, pero tardamos horas y días en hacer una sola medición. El proyecto ALS-U aumentará el rendimiento de los experimentos y nos permitirá analizar los materiales con mayor resolución y a menor escala. En conjunto, todo ello permitirá hacer nueva ciencia. Hace años contribuí a la creación del ALS-U, por lo que no podría estar más orgulloso de formar parte de él. Estoy muy ilusionado con la puesta en marcha del ALS actualizado para que podamos aprovechar sus nuevas e interesantes capacidades para hacer ciencia que hoy no podemos hacer.

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Laura Andrade

Laura Andrade

Laura Andrade es una periodista freelance especializada en la investigación de la electrónica de consumo, especialmente de smartphones, tabletas y ordenadores. Actualmente participa en varios proyectos en los que se ha encargado de escribir sobre lanzamientos de nuevos productos digitales, aplicaciones, sitios y servicios para publicaciones impresas o en línea. Está constantemente estudiando las últimas tecnologías para estar siempre al día.

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