BATERÍAS MÁS BARATAS

El futuro traerá una baja en los precios de las baterías y los motores de explosión serán propiedad de nostálgicos .... algo parecido a los Radioaficionados. Por ahora, TESLA nos adelanta una parte del futuro. 

Baterías de Litio-Aire, ¿la última esperanza?

Al parecer, los mercados y la comunidad científica están llegando a un acuerdo con la idea de que la densidad de energía (la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen), que ofrecen la Baterías de Iones de Litio (Li-Ion), nunca llegarán a ser una solución completamente satisfactoria para alimentar vehículos eléctricos (EV). Los indicadores del mercado se evidencian por la desaparición de los trabajos de investigación de los dos fabricantes de “alto vuelo” de Baterías de Litio-Ion basados en nanotecnología: “Ener1” y “A123 Systems”. La comunidad mundial de investigadores comparte y comienza a comprender esta situación y está cambiando su enfoque hacia las tecnologías alternativas de las mismas, como lo demuestran las recientes mejoras en las Baterías de Litio-Aire.

Comparativa estimada de las densidades de energía utilizando diferentes materiales.

A mitad de camino, investigadores de la Universidad de Standford, están informando que han utilizado nano-cristales de óxido de metal “no precioso” y los han combinado con nano-tubos de carbono para hacer un material “híbrido”, que funciona como un catalizador capaz de mejorar el rendimiento de las Baterías de Zinc-Aire. Estos dispositivos generan electricidad mediante la combinación de aire atmosférico con metal de zinc en un electrolito alcalino y líquido, logrando  un subproducto resultante de óxido de zinc. Cuando se carga la batería, el óxido de zinc se reconvierte en sus componentes originales: oxígeno y metal de zinc. En la investigación, publicada en la revista Nature Communications, el equipo de Stanford, utilizando su nano-material híbrido en el lado del cátodo de la batería, fue capaz de lograr una densidad de energía mayor a 700Wh / kg con una batería prototipo. Para que tengamos una idea de lo que eso significa, debemos compararlo con las mejores Baterías de Litio – Ion que, incluso con las últimas mejoras de la nanotecnología, a alcanzado topes en torno 400Wh/kg.

La industria automotriz está muy atenta a cada avance en materia de baterías que permitan su despegue definitivo (Foto: Tesla)

Las Baterías de Zinc-Aire son atractivas debido a la abundancia y bajo costo de metal de zinc, así como la naturaleza no inflamable de los electrolitos acuosos, lo que transforman a estas baterías en acumuladores muy seguros de operar. Más allá de estos valores, encontramos las Baterías de Sodio-Aire que pueden alcanzar una densidad de energía de 1.600Wh/kg (más allá del doble). El Sodio tiene la ventaja de ser más barato y abundante que el Litio, pero posee la desventaja que posee una vida útil (cantidad de recargas) que no llega a una decena de veces. Finalmente, todos los ojos están puestos en las Baterías de Litio-Aire que pueden conseguir una densidad de energía de casi 3500Wh/kg.  Si bien la capacidad de rendimiento de esta tecnología no deja dudas de que será la más buscada y estudiada en los próximos años, aún existen muchas dudas respecto a sus posibilidades de viabilidad económica en la fabricación en masa para abastecer a las automotrices, que no lograrán conciliar el sueño hasta que estas tecnologías encuentren un punto máximo de equilibrio entre duración y densidad energética. En ese objetivo, están orientados los trabajos del MIT incluyendo en la investigación, el uso de nano-tubos de carbono. Sin dudas, una historia que está muy lejos de tener un final estable y cercano.

Trabajando con la Energía al Límite

Uno de los problemas habituales al diseñar un proyecto es la administración de energía dentro del futuro circuito, dentro de cada sección que dará forma al desarrollo. Existen dos tipos de problemas elementales y que, podríamos decir, se reiteran con frecuencia por sobre “otros” inconvenientes energéticos. Estas dos “categorías” podrían separarse entre los que no tienen potencia energética sobrante, y deben hacer un aprovechamiento total de cada unidad de potencia, y aquellos otros a quienes les resulta suficiente y sobrada la energía que entregan sus baterías o fuentes de alimentación, pero que tienen el inconveniente (siempre acechante) de la disipación de calor con radiadores térmicos y los inconvenientes de montaje que esto trae aparejado.

Por un lado entonces, encontramos a un grupo que no sabe cómo aprovechar al máximo cada miliWatt y por el otro a los que no saben como hacer para que sus sistemas sean eficientes y no pierdan energía en forma de calor a través de sus radiadores térmicos. Cada grupo tiene graves inconvenientes ante sí y aunque ambos expresen “problemas de alimentación” los dos están con inconvenientes muy diferentes y las formas de resolverlo, también serán muy distintas. Por ejemplo, dentro del grupo que tiene serias restricciones a hacer funcionar sus circuitos con la máxima eficiencia posible, apelan en muchos casos a técnicas ingeniosas de poner a dormir (Sleep o Stand-By) determinadas etapas mientras otras realizan procesos que requieren un tiempo definido y la disponibilidad total de la energía. Dicho en otras palabras, todos sabemos que una descarga continua de una batería puede llevar “X horas”, pero con un funcionamiento alternado y con consumos que se incrementan sólo algunas veces por hora, la misma batería puede durar “4X horas” o hasta “nX horas”, mientras alterna (por ejemplo) entre un sistema de carga por energía solar y el consumo nominal, sólo en momentos específicos.

Muy diferente es el caso de cualquier desarrollo que tenga una alimentación muy distante en nivel para su trabajo y necesite de reguladores o dispositivos capaces de disminuir o incrementar la tensión. Es todo un desafío decidir que sistemas adoptar cuando entra a tallar la parte económica como un limitante presupuestario. Cuando construimos desarrollos para nuestro uso, es muy simple seleccionar un convertidor DC-DC (Step-Down o Step-Up) con un elevado rendimiento, a pesar de sacrificarnos en el costo. Invertir en un buen sistema de administración de energía es, en términos temporales extensos, una sabia decisión, pero cuando se trata de diseñar un producto para fabricación en masa, los costos son el gran fantasma de la batalla. Inclinar la balanza sobre un sistema eficiente y que no levante demasiada temperatura por sobre otro que sea mucho más económico que el anterior, aunque lo notemos que llega a extremos térmicos casi límites, es también una responsabilidad del diseñador. Una partida de producción desperdiciada por una mala selección de componentes, puede acabar con tu empleo en minutos.

Las técnicas de disipación de calor que incluyen conducción, convección, radiación, disipadores de calor, sopladores, tipos de placas (PCB) específicas (donde se utilice hasta el mismo cobre de los planos de tierra para disipar calor), son todo un desafío que requiere mucho conocimiento y una actitud firme, decidida y con convicción de saber lo que se está haciendo. Dicho en otras palabras, “Administrar la energía de alimentación, puede ser un problema que se resuelve con ingenio, software y hardware específico, sin embargo, manejar el calor no es un trabajo sencillo y para cualquiera”. La proliferación de baterías de Litio, permite a los diseñadores obtener mucha energía en pequeños tamaños. Además, este tipo de baterías está cambiando el enfoque clásico de los diseñadores, ya que a pesar de brindar soluciones más efectivas que cualquier otro sistema de batería recargable, presenta el desafío de una carga adecuada, de una descarga atendida más un control y monitoreo térmico permanente. Por lo tanto aquí ya entramos en un nuevo problema de alimentación. Todo el hardware “extra” que necesita nuestro diseño; si es que pensamos alimentarlo con baterías de Litio.

Pero si hablamos de problemas extremos de alimentación, de una necesidad imperiosa de contar con una excelente administración, no podemos dejar de pensar en las sondas espaciales Pioneer o Voyager, que alcanzaron más de 30 años viajando por el espacio, enviando señales o respondiendo a mensajes desde la tierra. Quizás esos son ejemplos sencillos para comprender que la correcta administración de energía en un desarrollo, no sólo es el acto de ahorrar, sino saber aprovechar los momentos y los elementos adecuados que disponemos en el sistema para consumir lo necesario. Y tú, ¿Tienes anécdotas para contarnos sobre casos extremos de administración de energía? ¿Te ha sucedido el problema de tener que “estirar” los tiempos de uso de alguna aplicación, en períodos de insuficiente carga de baterías por falta de sol, durante varios días? ¿Has tenido que desarrollar gabinetes especiales para instalar sendos sopladores que permitan una refrigeración adecuada? ¿Cuál ha sido el mayor de tus problemas? ¿Cuándo has tenido que administrar baja energía o cuando te ha tocado luchar contra el calor por disipación en ese equipo que era más una estufa que un amplificador? Cuéntanos tus experiencias. Todos hemos tenido alguna que merece ser contada y compartida.