Híbridos y Eléctricos

UNIVERSIDAD DE CAROLINA DEL NORTE

Baterías de iones fluoruro, mejores que las de litio y más cerca gracias al aprendizaje automático

Un equipo de investigadores de la Universidad de Carolina del Norte ha ideado un método para acelerar la selección de los mejores materiales conductores para las baterías de iones de fluoruro, una tecnología mejor y más barata que las de iones de litio actuales.

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Un equipo de investigadores utiliza algoritmos de aprendizaje automático y superordenadores para encontrar los materiales conductores perfectos para las baterías de iones de fluoruro.

Las baterías de iones de litio son actualmente la mejor opción para alimentar tanto aparatos electrónicos como vehículos eléctricos. Son las que mejor cumplen con la envolvente de los criterios que se exigen a una batería: seguridad, densidad energética, peso, volumen, ciclo de vida suficiente y capacidad de reciclaje, todo con un coste mínimo. Sin embargo, los expertos aseguran que las baterías de iones de fluoruro son mejores, pero todavía no se han encontrado los materiales ideales que conduzcan estos iones. Un equipo de la Universidad de Carolina del Norte parece tener la solución a este problema aplicando el uso del aprendizaje automático ya que acelera el proceso de selección de materiales y estimula la investigación.

Los materiales utilizados para fabricar las baterías de iones de litio actuales son caros y, en muchas ocasiones, difíciles de conseguir. Escalar su producción a los niveles requeridos por la transición de la industria a automóviles totalmente eléctricos requiere un nuevo enfoque para evitar tanto la escasez como los predecibles aumentos de precio en el futuro.

Teóricamente los sistemas basados en iones de fluoruro son ideales para ser empleados como baterías tanto para alimentar productos electrónicos de consumo como vehículos eléctricos. El fluoruro ofrece ventajas tangibles sobre el litio, ya que es liviano y altamente estable. Es más barato que el litio y el cobalto, metales que se utilizan en las baterías de iones de litio actuales. Además, los científicos aseguran que las baterías de iones de fluoruro pueden ofrecer una mayor densidad de energía que sus equivalentes de iones de litio. Pueden llegar a multiplicarla por siete, lo que podría traducirse en autonomías mucho mayores de las que conocemos actualmente.

Teniendo en cuenta todas estas ventajas teóricas, las baterías de iones de fluoruro (FIB) cumplen mejor que las de litio con los criterios mínimos de la envolvente mencionada anteriormente. ¿Por qué todavía no son viables estas baterías? El problema es que entre la teoría y la práctica existe una gran brecha. 

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La estrategia de selección de candidatos que emplea el aprendizaje automático ha logrado reducir el tiempo de selección de candidatos de una semana a una hora por cada material.

El ion fluoruro (F-) es la forma en que se presenta normalmente el flúor en una disolución acuosa. En una batería de iones de fluoruro se genera electricidad enviando iones de fluoruro de un electrodo al otro a través de un electrolito conductor de iones de fluoruro. Las investigaciones sobre las baterías de iones de fluoruro aún están en sus fases iniciales. Las primeras muestras de baterías de fluoruro recargables aparecieron en 2011. Su mayor hándicap es que los científicos aún no han encontrado los materiales conductores perfectos para los iones de fluoruro. Más específicamente, aquellos con alta conductividad iónica carecen de estabilidad y viceversa.

Jack Sundberg y su equipo del laboratorio de Scott Warren de la Universidad de Carolina del Norte han ideado un nuevo método para acelerar la búsqueda de los mejores materiales conductores para el fluoruro. El equipo utiliza algoritmos de aprendizaje automático y superordenadores para predecir de forma rápida y precisa la facilidad con la que se mueven los iones de fluoruro en cualquier cristal que los contenga.

La base de datos que maneja el equipo de la Universidad de Carolina del Norte ha seleccionado 10.000 candidatos que contienen fluoruro de los 140.000 materiales conocidos. Eligieron 300 al azar y realizaron cálculos precisos para comprobar la capacidad de transporte de fluoruro de cada material. Esta fase les llevó alrededor de una semana por cada material. Los resultados se usaron para entrenar el algoritmo de aprendizaje automático, logrando acelerar los cálculos a solo una hora por material.

La investigación ya ha logrado producir algunos materiales candidatos que son descritos como “mejores conductores que los utilizados en las baterías de iones de litio". Un ejemplo es un compuesto de zinc-titanio que contiene fluoruro, ZnTiF6. Es barato, altamente conductor de fluoruro y muestra características prometedoras en otras áreas. Sin embargo, no es el único, y el equipo ya ha patentado las composiciones más prometedoras.

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Las baterías de iones de fluoruro ofrece ventajas sobre el litio: son más livianas, altamente estables, más baratas y ofrecen siete veces más densidad de energía.

Baterías de iones de fluoruro y electrolito sólido

Tener un punto de partida sólido como este debería acelerar el desarrollo de las baterías de iones de fluoruro. Aunque es demasiado pronto para decirlo, este tipo de química podría resultar todavía mejor si se implementa en las futuras baterías de electrolito sólido. Una de las principales ventajas de estas baterías es que no pueden incendiarse, aumentando su seguridad y permitiendo que los ingenieros no tengan que crear sistemas para evitar el sobrecalentamiento.

Otro de los desafíos de estas baterías es que solamente funcionan a altas temperaturas. Los iones de fluoruro son conductores útiles, es decir, se mueven de un electrodo polarizado a otro, pero solo cuando el electrolito en estado sólido se calienta lo suficiente. Esto hace que la tecnología de ion fluoruro no sea práctica para muchas aplicaciones de consumo.

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