Dentro de un laboratorio probando el futuro de las baterías EV

Nov 12, 2023

ANN ARBOR, Mich. — Dentro de este modesto edificio de ladrillos en el campus de la Universidad de Michigan, los científicos se enfocan en resolver algunos de los problemas más grandes con las baterías de los vehículos eléctricos y tratar de arreglarlos antes de que amenacen el rápido crecimiento de la industria.

Los investigadores del "espacio para fabricantes" de baterías se han inspirado en todo, desde los tuits de Elon Musk hasta el frustrante problema de las baterías de iones de litio que se incendian. Se ha convertido en un lugar de moda para que los científicos del mundo académico y los principales fabricantes de automóviles, como Ford Motor Co. y Mercedes-Benz, utilicen equipos de última generación para probar tecnologías de baterías complejas y experimentales antes de lanzarlas para la producción a gran escala.

El pequeño laboratorio es uno de los pocos centros que permite que casi cualquier científico o ingeniero de baterías pruebe las últimas tecnologías, lo que le otorga un papel importante en la carrera tecnológica en torno a baterías avanzadas para vehículos eléctricos que podría determinar si EE. UU. alcanza el clima agresivo de la administración Biden. y alivia el control de China sobre las cadenas de suministro.

"Si va a reemplazar todos los vehículos en la carretera [con] vehículos eléctricos, son muchas baterías. Tiene sentido llevar su tecnología a un vehículo", dijo Greg Less, director del laboratorio. "Pero tienes que caminar antes de que puedas correr".

El diseño de las baterías de vehículos eléctricos se convirtió en una preocupación comercial y política principal con la implementación de la Ley de Reducción de la Inflación, una ley de $369 mil millones destinada en parte a impulsar la adopción de vehículos eléctricos, aunque contiene requisitos estrictos para el abastecimiento tanto de minerales como de repuestos para baterías.

Si bien la mayoría de los vehículos eléctricos actuales funcionan con baterías de iones de litio, una tecnología con décadas de antigüedad que también se usa en computadoras portátiles y teléfonos celulares, los investigadores vinculados a la academia y las compañías automotrices están buscando formas de crear baterías aún mejores. Quieren aumentar la capacidad, acelerar el tiempo de carga, reducir costos y utilizar los materiales más responsables desde el punto de vista ambiental y social que puedan encontrar.

La ubicación del laboratorio de la Universidad de Michigan no es un error. Además de la puesta en marcha de la costa oeste Tesla Inc. y el ecosistema que la compañía ha creado, Less dice que muchas compañías automotrices tienen presencia en el sureste de Michigan, como las compañías automotrices con sede en Detroit como Ford y General Motors Co. y fabricantes de automóviles extranjeros como Mercedes- Benz y Hyundai Motor Co.

Escondido a lo largo de una calle tranquila y arbolada en el campus de la universidad, el laboratorio de $10 millones se encuentra en una hilera de edificios cerca de la biblioteca del presidente Gerald Ford y un museo que archiva la vida y obra del presidente número 38. La instalación es el resultado de una colaboración entre la universidad, Michigan Economic Development Corp. y Ford, con el objetivo de diseñar y construir prototipos de baterías más rápidamente.

En el interior hay 9,000 pies cuadrados de espacio de investigación, que incluye lo que Less llama una "prensa de pasta gigante", una máquina que recubre largas tiras metálicas con minerales procesados ​​que eventualmente se usarán en las baterías de prueba de vehículos eléctricos. Se utiliza una "sala seca" cercana para ensamblar las celdas de la batería de iones de litio. Otras máquinas miden cómo los prototipos retienen y liberan una carga eléctrica o realizan "pruebas de abuso", lo que significa que las baterías experimentan fluctuaciones extremas de temperatura o se dañan. Detrás de una caja de vidrio, un panel móvil con una herramienta adjunta que se usa para perforar las baterías permanece inactivo. Less explica que los investigadores perforan o prenden fuego a las baterías para ver cómo reaccionan.

Ted Miller, quien administra la investigación de celdas de batería y la ingeniería avanzada de Ford, dijo que el laboratorio ha desempeñado un papel fundamental para ayudar al fabricante de automóviles a probar la tecnología que ahora está ayudando a definir directamente la tecnología de celdas EV de próxima generación de Ford, así como los planes de la compañía para escalar. en Ford Ion Park, su propio sitio de investigación y desarrollo.

A medida que la industria de los vehículos eléctricos crece, los fabricantes de automóviles amplían sus capacidades de investigación internas y aprovechan los recursos de laboratorios similares en Nueva York, Indiana, Texas y el estado de Washington.

Pero Less dijo que la demanda de instalaciones de investigación sigue superando lo que está disponible, y se espera que la necesidad crezca a medida que se arraiguen los fondos de la Ley de Reducción de la Inflación, se materialicen las cadenas de suministro nacionales y la química y la tecnología de las baterías evolucionen más rápidamente.

Es una demanda creciente de la que el gobierno federal está muy consciente y está trabajando para abordarla. Un consorcio público-privado dirigido por el Departamento de Energía y administrado por el Laboratorio Nacional de Argonne a principios de este año pidió la creación de una red nacional de "líneas piloto" compartidas o líneas de producción precomerciales, muy parecidas al laboratorio de la Universidad de Michigan. para reforzar la industria nacional de baterías de la nación.

"Estas instalaciones son extremadamente importantes para el país y necesitamos una red de ellas", dijo Venkat Srinivasan, director del Centro Colaborativo Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía. "Este tipo de laboratorios son la forma de eliminar el riesgo de las innovaciones para que pueda demostrarse a sí mismo y a todos los demás que tiene algo que es convincente".

Miller estuvo de acuerdo: "Sorprendentemente, sigue siendo cierto que el [laboratorio] solo ahora está siendo duplicado por otros a medida que se desarrolla la revolución EV".

La historia del origen del laboratorio de la universidad se deriva de lo que se ha convertido rápidamente en una búsqueda más competitiva de baterías EV que pueden cumplir con una miríada de cualidades.

Fundamentalmente, los fabricantes quieren baterías que aseguren que los automóviles puedan conducir largas distancias sin necesidad de recargarse y encenderse rápidamente. Pero también tienen en cuenta otras preocupaciones, como tratar de excluir materias primas de países con problemas de derechos humanos, un paso que puede requerir una revisión total de los componentes de la batería para eliminar un mineral específico.

Mientras Less se movía por el laberinto de salas llenas de equipos del laboratorio durante un recorrido reciente, explicó que la química también cambia a medida que la batería crece. La mayoría de los fabricantes de automóviles no están interesados ​​en ver los datos a menos que se puedan demostrar en un formato útil, lo que puede requerir un equipo costoso.

No es un recurso fácil de encontrar, dijo.

"La gente iba a Ford y decía: 'Oye, mira nuestros datos geniales'", dijo Less. "Ford dijo: 'Bueno, hay dos problemas... no fabricamos baterías, compramos baterías, e incluso si intentáramos hablar sobre su tecnología con las personas a las que les compramos baterías, el formato que está presentando es no es útil para nosotros, así que aumente la escala y regrese cuando esté listo para el horario de máxima audiencia'", dijo.

Pero para las personas que intentan desarrollar baterías, "la respuesta fue: 'No sabemos a dónde ir para escalar'", dijo Less.

En 2012, Ford propuso una asociación con la universidad, dijo Miller, quien supervisa la investigación de celdas de batería y la ingeniería avanzada del fabricante de automóviles.

En ese momento, Miller dijo que Ford tenía los fondos de capital para construir el laboratorio internamente, pero le preocupaba que sería difícil en una instalación propiedad de la compañía respaldar un ecosistema más grande de posibles jugadores de baterías, productores de celdas que no son de Ford, productores de materiales y otros. . Así que Ford se ofreció a buscar y comprar todo el equipo de laboratorio de baterías de la universidad si la escuela aceptaba financiar y dotar de personal a las instalaciones, dijo. En el otoño de 2015, el laboratorio abrió oficialmente.

Desde entonces, Miller dijo que las empresas del sector automotriz, de baterías y de materiales han encontrado útil el laboratorio. La propia Ford ha llevado a cabo una serie de construcciones de celdas grandes en el laboratorio, agregó, desde tecnología avanzada de iones de litio utilizando materiales novedosos hasta experimentos que intentan reemplazar por completo las químicas de iones de litio.

Hoy, la instalación está repleta de investigadores que esperan demostrar que su tecnología es escalable.

"No se trata solo de personas pequeñas que intentan hacerse grandes", dijo Less. "Son grandes personas que intentan validar a personas pequeñas o grandes que dicen: 'Bueno, nos estamos preparando para lanzar el modelo de producción del próximo año o el modelo de producción de cinco años más adelante, necesitamos comenzar a ver qué sigue para nuestros coches.'"

La empresa más reciente de Ford muestra la dificultad de escalar rápidamente. El fabricante de automóviles está construyendo una planta de baterías EV de $ 3.5 mil millones en Michigan utilizando tecnología china para lanzar rápidamente nuevos automóviles al mercado. Contemporary Amperex Technology Co. Ltd., con sede en China, el mayor productor mundial de baterías de fosfato de hierro y litio (LFP), proporcionará la tecnología para que esas baterías se utilicen en la próxima generación de Ford Mustang Mach-E y F-150 Lightning.

Algunos de los proyectos en los que se centran los científicos incluyen el desarrollo de baterías de estado sólido, una tecnología muy publicitada que se ha promocionado como más segura que las baterías de iones de litio porque es menos susceptible a los cambios de temperatura.

Ahora, Less dijo que está escuchando el interés de los investigadores que buscan baterías recargables sin rastro de litio en ellas.

“Nosotros no dictamos lo que la gente hace aquí. La gente nos envía su plan de trabajo y dice: '¿Puedes ayudarnos?' Es un sí o un no”, dijo Less. "Estamos dispuestos a probar casi cualquier cosa siempre que no nos perjudique a nosotros ni a nuestro equipo".

Al igual que gran parte de la floreciente industria de los vehículos eléctricos, el trabajo en el laboratorio también se ha centrado en hacer pivotar a partir de materiales problemáticos, como el cobalto utilizado en los cátodos de las baterías que ayuda a que las baterías duren más. Alrededor del 70 por ciento del cobalto del mundo se extrae en el Congo, donde existen patrones documentados de condiciones laborales brutales.

Las preocupaciones sobre esas condiciones han alimentado la investigación centrada en modificar la composición de los cátodos de las baterías de iones de litio que usan níquel, manganeso y cobalto, una formulación conocida como NMC.

Si bien los investigadores han encontrado formas de aumentar la cantidad de níquel y disminuir el cobalto, Less dijo que eso lleva a un menor ciclo de vida y, en última instancia, a compensaciones que deben considerarse.

Y luego están los tuits.

En 2021, Elon Musk, director ejecutivo de Tesla, recurrió a Twitter para revelar que su empresa estaba cambiando a baterías LFP para automóviles de gama estándar.

Menos dicho que condujo directamente a un intenso enfoque en las baterías LFP, que China domina en la fabricación, en el laboratorio.

El enfoque de la industria de vehículos eléctricos en las baterías LFP se ha acelerado. Además de Tesla, compañías como Ford han promocionado la tecnología como una reducción de la dependencia de materiales costosos y buscados como el cobalto y el níquel. Las baterías LFP están compuestas por cátodos de fosfato de hierro y litio y electrodos de grafito. Las baterías también se consideran una solución duradera que puede tolerar una carga frecuente y más rápida a un costo menor.

"Así que volvemos al fosfato de hierro", dijo Less. "Tengo que decir que es una gran idea. Es decir, hierro, está en todas partes. El fosfato, lo tiramos en nuestro césped, así que es una muy buena opción. Es más seguro, es más barato. Es de alta densidad de potencia, mirando al fosfato de hierro es un muy buen material de cátodo.

"Se debe enteramente a Elon Musk", agregó. "Le daré crédito por eso".