batería de iones de litio

Un libro con pestillos en las páginas: solo se puede pasar la hoja si sabes cómo hacer clic en el borde. Así funciona más o menos el metamaterial mecánico del que hablaremos. Cada celda es una pequeña masa dentro de otra mayor, unida a ella por una viga elástica. La viga puede estar en dos posiciones estables, como un interruptor.

Una pila de páginas que se ha hojeado muchas veces lo recuerda: algunas hojas quedan planas, otras se abarquillan y en ciertos lugares quedan dobleces. Algo similar les ocurre a los materiales laminares cuando los iones penetran en ellos.

Se puede hacer que la luz gire a voluntad, como el agua en una manguera, si se sabe dónde presionar. Eso es exactamente lo que hacen los circuitos electroópticos: cambian la dirección del haz dentro del chip mediante un campo eléctrico.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

En cada batería o supercondensador hay un actor invisible: el pegamento polimérico. Une las partículas del material activo y ayuda a que se adhieran al colector de corriente. Antes se consideraba simplemente masa inerte: está ahí, con tal de que no estorbe. Pero en este trabajo, el pegamento pasó a primer plano.

Las baterías agotadas de los coches eléctricos se comportan como músicos caprichosos: uno toca más fuerte, otro más bajo, otro se desafina sin motivo. Montar una batería con ellas al azar es obtener una cacofonía: unas celdas se sobrecargan, otras están paradas, y el sistema falla rápidamente. Los ingenieros convirtieron este problema en una tarea para un director de orquesta.

El electrolito sólido no es una simple red cristalina, sino una auténtica metrópolis bulliciosa para los iones. Cada acto de conducción se asemeja a un viaje por la ciudad: hay amplias avenidas con baja barrera energética, atascos sin salida en cuellos de botella y desvíos traicioneros donde un ion puede quedarse atrapado.

Una batería de litio se parece a una pequeña ciudad: los iones de litio son los habitantes que se mudan entre los barrios-electrodos, generando corriente.

El envejecimiento de una batería se parece a la fatiga del metal: la grieta madura en el interior mucho antes de que la pieza se rompa. Normalmente nos enteramos del problema cuando la capacidad cae por debajo del 80%, pero para entonces los daños ya son irreversibles.

Una batería normal de teléfono respira, pero no aire, sino contacto. Dentro de un sólido, donde no hay líquidos, el litio se aprieta contra el electrolito (la sustancia que conduce iones) al cargarse, y se separa al descargarse, como un pulmón al inhalar y exhalar.

Una batería de litio es como un sándwich: dos rebanadas de pan son los electrodos y el relleno de en medio es el electrolito, por donde los iones de litio van y vienen. En las baterías normales, el relleno es líquido, como una salsa, y puede gotear o incendiarse.

Una memoria USB común guarda bits en trampas de electrones, pero solo se pueden leer mediante un cable y un amplificador separados. En el nuevo desarrollo, el mismo trozo de semimetal teluro hace las veces de almacén y de bombilla.

Un ánodo de grafito convencional en una batería de sodio se parece a un garaje estrecho donde apenas cabe un camión grande. El sodio es más grande que el litio y no encaja bien entre las capas de grafito, por lo que las baterías pierden capacidad rápidamente.

Un filamento metálico del grosor de un cabello atraviesa la cerámica como una raíz que rompe el asfalto. En las baterías de estado sólido, estos filamentos se llaman dendritas y aparecen cuando la corriente de carga supera un umbral crítico. El electrolito cerámico es sólido pero frágil, como el vidrio.

Dentro de cualquier batería hay un líquido electrolito, y de cómo se aglomeran los iones en él depende cuánta energía entregará la batería y cuánto durará. Antes, para asomarse a esa multitud, había que montar experimentos largos o lanzar cálculos ultraprecisos que devoran semanas de tiempo de computación.

Una batería solar es como un corazón: si la obligas a latir en un ritmo equivocado, se cansa rápido. Normalmente, las celdas se prueban aplicando voltaje inverso, pero en la vida real la sombra de una hoja o de un pájaro hace que las celdas vecinas conduzcan corriente ajena.

Un rayo láser estable es como una cuerda tensa: si vibra aunque sea un poco, la música se convierte en cacofonía. En una computadora cuántica, el láser mantiene los átomos atrapados, y cualquier vibración en la frecuencia rompe el cálculo. Por eso, antes, los montajes láser ocupaban mesas enteras y su ajuste tomaba semanas.

Una batería de litio es como una casa con un trastero: al cargar, el litio entra; al descargar, sale. Pero si el trastero se llena de trastos, parte del litio se queda dentro para siempre. De qué metal estén hechas las paredes del trastero depende cuánto litio regrese. Los autores del estudio tomaron cuatro metales: aluminio, magnesio, plata y cobre. Cada uno absorbe el litio a su manera.

Dentro de cada diminuta partícula que compone el cátodo de una batería de iones de sodio, el sodio se distribuye de manera desigual, como si el azúcar en el té se hubiera apelmazado en grumos. Esto reduce la capacidad y la vida útil de la batería.

Las baterías suelen tener dos terminales: ánodo y cátodo. Los ingenieros intentan eliminar el ánodo de las baterías de estado sólido (con electrolito sólido) para hacerlas más ligeras y de mayor capacidad. Durante la carga, el metal debería depositarse por sí solo en una capa sobre el contacto, y durante la descarga, desaparecer por completo.

La batería de un teléfono o de un coche eléctrico es una pequeña fábrica química. En su interior, los iones de litio corren entre dos electrodos, y en el límite con el líquido electrolito se forma una fina película que determina cuánto durará la batería. Esta película se llama interfase de electrolito sólido.

Las baterías actuales con electrolito líquido pueden tener fugas o incendiarse. Los electrolitos poliméricos, sólidos como el plástico, resuelven ese problema, pero los iones se mueven más lento y la batería pierde potencia.

Una célula solar normal hace una sola cosa: cuando brilla el sol, fluye la corriente. Pero aquí, cuando brilla el sol, la corriente fluye de manera distinta según de qué lado acerques un imán.

El manganeso son los ladrillos de la pared, y el zinc es un invitado que llega y se aprieta entre ellos. Si el invitado se sienta incómodo, empuja un ladrillo fuera de la pared. Algo así ocurre en una batería de zinc-ion: durante la descarga, los iones de zinc se insertan en la red cristalina del óxido de manganeso, y el manganeso comienza a filtrarse a la solución.

Una camiseta vieja se disolvió en una solución alcalina, se obtuvo un gel, y este se convirtió en el corazón del acumulador de energía. El segundo componente se hizo a partir de quitosano, una sustancia presente en los caparazones de los camarones. Nada de metales: solo algodón reciclado y mariscos.

Un material común se rompe en silencio. Primero, en su interior, se desgarran invisibles hilos-puente, y solo después aparece la grieta que se puede ver a simple vista. Ingenieros de la Universidad Carnegie Mellon han enseñado al material a «hablar» de esos daños ocultos. Imprimieron en 3D una rejilla parecida a un panal de abejas, pero con un patrón más complejo.

El sodio es vecino del litio en la tabla periódica, pero en la corteza terrestre hay cientos de veces más y es mucho más barato. Por eso, las baterías de sodio podrían reemplazar a las de litio en vehículos eléctricos y acumuladores de energía. El problema es que el sodio es más grande que el litio y le cuesta más abrirse paso a través de la red cristalina del cátodo.

El núcleo atómico normalmente vive en un solo estado energético, como una pelota en el suelo. Pero el torio-229 tiene una rara excepción: el núcleo puede quedarse atascado en un pequeño escalón sobre el suelo, en el llamado estado isomérico. Este escalón es tan bajo que se puede alcanzar con luz ordinaria, no con radiación dura.

Dentro de una batería, como en un pastel de varias capas, conviven diferentes capas sólidas. El lugar donde se encuentran —el límite— se comporta de forma caprichosa: allí se concentran tensiones y, con el tiempo, la batería envejece. Para entender estos procesos se necesitan modelos informáticos que vean cada átomo. Pero los cálculos precisos son demasiado caros, y los rápidos, demasiado toscos.

En una batería de litio-azufre, el azufre tiende a disolverse y migrar hacia el otro electrodo, haciendo que la batería pierda carga en decenas de ciclos. Para retener a la fugitiva, se coloca una película separadora entre los electrodos. La película de polietileno común deja pasar los iones de litio, pero con ellos también se cuelan las moléculas de azufre.

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin consumirse en el proceso. El mejor catalizador es aquel en el que cada átomo de metal cuenta: cuanto más pequeñas son las partículas, más átomos hay en la superficie y más activo es el material.

Una hucha en la que las monedas caen fácilmente, pero solo se pueden sacar rompiéndola. Algo parecido ocurre con un nuevo material para baterías de sodio. Acepta con gusto los iones de sodio durante la carga, pero al descargarse apenas devuelve nada.

En el nuevo procesador Helios, 98 iones de bario giran en una ruta cerrada, como caballitos en un carrusel. Esta arquitectura permite que cualquier ion intercambie datos con cualquier otro, haciendo el sistema flexible y potente. Los pulsos láser, como una batuta de director, dan órdenes a la velocidad de la luz.