Niobio: el químico que podría ayudar a cargar tu auto eléctrico en minutos

En un polígono industrial al sur de la histórica ciudad universitaria de Cambridge, los investigadores de una empresa llamada Echion Technologies están buscando la fórmula ideal para baterías de vehículos de carga rápida.

Dado que muchos gobiernos tienen el objetivo final de emisiones netas de carbono cero, tal invención sería muy oportuna.

Los autos eléctricos ya tienen capacidades de larga distancia (un rango de 322 kilómetros no es inusual), pero muchos necesitan horas de estar enchufados para lograr una carga completa.

Ser capaz de lograr esto en menos de una hora haría que los viajes a través del país fueran más factibles, por lo que un vehículo eléctrico sería una perspectiva más atractiva para los consumidores.

Una carga más rápida también puede mejorar la productividad de los autobuses o furgonetas de reparto eléctricos al permitir más tiempo en la carretera y menos tiempo conectado a la fuente de alimentación.

Las baterías que se pueden cargar rápidamente también pueden facilitar el uso de trenes eléctricos sin instalar una costosa infraestructura de electrificación, como equipos de líneas aéreas.

Sede de Echion en Sawston, cerca de Cambridge, en el sureste de Inglaterra. Foto: Daniel Bardsley / El Nacional

El trabajo en la sede central de Echion Technologies en el sureste de Inglaterra se centra en un elemento químico del que muchas personas nunca han oído hablar: el niobio.

A pesar de su bajo perfil, el niobio ha estado en el radar como un material potencial para los ánodos de las baterías de iones de litio, el material de una batería de iones de litio que recibe iones de litio, desde la década de 1980.

Numerosas empresas de todo el mundo están investigando su uso, por lo que este metal, que a veces se encuentra en el acero inoxidable, podría jugar un papel importante en la transición al transporte eléctrico.

"El trabajo que se hizo antes fue un punto de partida. No se ha optimizado como material comercial", dice Benjamin Ting, director comercial de Echion Technologies.

"Echion se centró en encontrar el material óptimo para usar como ánodo de batería adecuado para su uso en mercados masivos".

Al igual que gran parte de la investigación y el desarrollo, estos esfuerzos no son más que minuciosos: en los últimos años, Echion Technologies evaluó cerca de 1000 materiales candidatos para ánodos basados ​​en niobio y seleccionó "una proporción muy estrecha".

El personal de investigación y desarrollo, que en total representa alrededor de dos tercios de los más de 30 empleados de la empresa, produce polvos que contienen mezclas de sustancias químicas en proporciones variables, que se sintetizan en un horno.

Luego, el polvo se mezcla con tintas y se prueba qué tan bien recubren la lámina para convertirse en electrodos.

Los electrodos resultantes se prueban en docenas de pequeñas pilas similares a monedas, cada una exteriormente similar a las pilas que se encuentran, por ejemplo, en los controles remotos de televisión o en los lectores de tarjetas bancarias.

"Nuestros resultados a nivel de monedas han llevado a varios grandes fabricantes de celdas a comenzar a desarrollar formatos comerciales utilizando nuestro material", dijo el Sr. Ting.

Optimizar el rendimiento de la batería implica hacer malabarismos con múltiples variables. Entre ellos, los clave son la tasa de carga, la densidad de energía, la densidad de potencia, la temperatura de funcionamiento, la cantidad de ciclos de carga y descarga que puede durar una batería, además de su seguridad y sostenibilidad.

La optimización de la tasa de carga y la densidad de energía es de particular importancia, ya que las baterías de carga más rápida a menudo tienen una menor densidad de energía.

"A menudo, si intenta optimizar para uno, verá una compensación en otros", dijo Ting, un ingeniero colegiado australiano. "Decimos que ofrecemos el mejor equilibrio".

Crear algo que sea viable como producto producido en masa es un "gran paso", desde encontrar un material que funcione bien en el laboratorio. Pero la empresa confía tranquilamente en que ha desarrollado un material de ánodo que podría resultar atractivo en el mercado.

"No decimos que cambiamos las reglas del juego, pero nos gusta pensar que vamos a marcar la diferencia en una serie de grandes industrias", dice el Sr. Ting. "Somos pragmáticos, lo que da confianza a aquellos que quieren comprometerse con cualquier material de batería nuevo, ya que es una inversión y un compromiso a largo plazo".

La compañía dice que su material XNO ofrece, entre otras cosas, un ciclo de vida prolongado, operaciones seguras y la capacidad de trabajar en un rango de temperaturas.

Se dice que retiene el 70 por ciento de su producción de energía incluso a temperaturas de -30°C y también es resistente a altas temperaturas, lo que puede ser especialmente útil en regiones como el Medio Oriente.

Los principales fabricantes ahora están produciendo células utilizando el material de Echion Technologies y la producción se está ampliando "a la escala de mil toneladas".

El profesor Poul Norby, del Departamento de Conversión y Almacenamiento de Energía de la Universidad Técnica de Dinamarca, dice que ya ha habido "mucho progreso" con la tecnología de carga rápida, que describe como importante "para mover realmente los vehículos a eléctrico".

"Si miras hacia atrás unos pocos años, los autos se cargaban a quizás 50 o 100 kilovatios [kW]. Ahora se ha vuelto más común cargar a 150kW", dice.

En última instancia, puede haber numerosos tipos de materiales de ánodo que contienen niobio que tienen un impacto comercial. Ciertamente, no hay falta de interés entre las compañías de baterías.

De hecho, a unas pocas millas al norte de Cambridge se encuentra otra empresa, Nyobolt, que también está trabajando en tecnología de carga rápida con niobio.

Más lejos, el gigante de la electrónica Toshiba y dos socios anunciaron el año pasado que estaban trabajando en el desarrollo de baterías de iones de litio utilizando óxido de titanio de niobio como material de ánodo, mientras que las empresas en China, Israel y, en particular, los EE. UU. también se están enfocando en el niobio. .

Muchas otras empresas están desarrollando baterías de carga rápida que dependen de diferentes elementos químicos.

Si bien el material de ánodo a base de niobio de Echion Technologies podría llegar a las baterías de automóviles, la compañía dice que es más probable que se use en baterías para camionetas de reparto, autobuses, trenes o incluso vehículos mineros.

"Es posible que un vehículo eléctrico de pasajeros no sea la mejor opción, pero una furgoneta de reparto, una furgoneta de UPS que puede tener varios conductores y breves descansos, estos vehículos están a la vista", dice el Sr. Ting.

"La carga rápida va a ser importante para los autobuses porque no es ideal tener autobuses parados durante seis horas al día. Desea poder utilizarlos".

El profesor Norby dice que mejorar las velocidades de carga para autobuses y otros vehículos grandes puede permitir el uso de baterías más pequeñas que podrían cargarse rápidamente al final de una ruta de autobús, lo que podría ahorrar dinero y peso.

Esto puede implicar la instalación de estaciones de carga adicionales a las que se necesitan cuando los autobuses se cargan durante la noche en los depósitos centrales, por lo que la solución ideal depende del equilibrio de "ventajas y desventajas".

El Sr. Ting dice que la reducción del tamaño de la batería reduce la cantidad de material necesario para la batería, lo que reduce el impacto ambiental de la producción, lo que destaca los numerosos beneficios potenciales de la tecnología de carga rápida.

"Tenemos muchas esperanzas de que haya segmentos que pongan la carga rápida como punto de venta", dice.