El diseño de Oxis Energy promete una densidad de energía, capacidad de fabricación y seguridad excepcionales

Los aviones eléctricos están de moda, con prototipos en desarrollo en todos los tamaños, desde drones de entrega hasta aviones de pasajeros. Pero la tecnología aún no ha despegado, y por una razón: la falta de una batería adecuada.

Para que un avión de pasajeros grande despegue, navegue y aterrice a cientos de kilómetros de distancia, se necesitarían baterías que pesan miles de kilogramos, demasiado pesadas para que el avión pueda volar en primer lugar. Incluso para aviones relativamente pequeños, como los entrenadores de dos asientos, el peso de las baterías limita la carga útil del avión, reduce su alcance y, por lo tanto, restringe el lugar donde el avión puede volar. Reducir el peso de la batería sería una ventaja no solo para la aviación, sino para otros vehículos eléctricos, como automóviles, camiones, autobuses y barcos, cuyo rendimiento también está directamente vinculado a la relación energía-peso de sus baterías.

Para tales aplicaciones, la batería de elección de hoy en día es de iones de litio. Alcanzó su madurez hace años, con cada nueva mejora incremental más pequeña que la anterior. Necesitamos una nueva química.

Desde 2004, mi empresa, Oxis Energy, en Oxfordshire, Inglaterra, ha estado trabajando en uno de los principales competidores: el azufre de litio. Nuestra tecnología de baterías es extremadamente ligera: nuestros modelos más recientes están logrando más del doble de la densidad de energía típica de las baterías de iones de litio. El azufre de litio también es capaz de proporcionar los niveles requeridos de potencia y durabilidad necesarios para la aviación y, lo más importante, es lo suficientemente seguro. Después de todo, un avión no puede soportar un incendio repentino o alguna otra calamidad simplemente tirando hacia un lado de la carretera.

La nueva tecnología ha tardado mucho en llegar, pero la espera ha terminado. La primera serie de pruebas de vuelo ya se ha completado.

Fundamentalmente, una célula de litio-azufre se compone de cuatro componentes:

• El electrodo positivo, conocido como cátodo, absorbe electrones durante la descarga. Está conectado a un colector de corriente de aluminio recubierto con una mezcla de carbono y azufre. El azufre es el material activo que participa en las reacciones electroquímicas. Pero es un aislante eléctrico, por lo que el carbono, un conductor, entrega electrones a donde se necesitan. También se agrega una pequeña cantidad de aglutinante para asegurar que el carbono y el azufre se mantengan juntos en el cátodo.
• El electrodo negativo o ánodo, libera electrones durante la descarga. Está conectado a una lámina de litio puro. El litio también actúa como colector de corriente, pero también es un material activo, participando en la reacción electroquímica.
• Un separador poroso evita que los dos electrodos se toquen y causen un cortocircuito. El separador está bañado en un electrolito que contiene sales de litio.
• Un electrolito facilita la reacción electroquímica al permitir el movimiento de iones entre los dos electrodos.

Estos componentes están conectados y empaquetados en papel de aluminio como una celda de bolsa. A su vez, las celdas se conectan entre sí, tanto en serie como en paralelo, y se empaquetan en un paquete de baterías de 20 amperios—hora y 2,15 voltios. Para un vehículo grande, como un avión, se conectan decenas de paquetes para crear una batería capaz de proporcionar decenas o cientos de amperios-hora a varios cientos de voltios.

Las baterías de litio y azufre son inusuales porque pasan por múltiples etapas a medida que se descargan, cada vez formando una especie molecular diferente y distinta de litio y azufre. Cuando una célula se descarga, los iones de litio en el electrolito migran al cátodo, donde se combinan con azufre y electrones para formar un polisulfuro, Li2S8. En el ánodo, mientras tanto, las moléculas de litio dan electrones para formar iones de litio cargados positivamente; estos electrones liberados se mueven a través del circuito externo, la carga, que los lleva de regreso al cátodo. En el electrolito, el Li2S8 recién producido reacciona inmediatamente con más iones de litio y más electrones para formar un nuevo polisulfuro, Li2S6. El proceso continúa, pasando por más polisulfuros, Li2S4 y Li2S2, para eventualmente convertirse en Li2S. En cada paso se abandona más energía y se pasa a la carga hasta que finalmente la célula se agota de energía.

La recarga invierte la secuencia: Una corriente aplicada fuerza a los electrones a fluir en la dirección opuesta, haciendo que el electrodo de azufre, o cátodo, libere electrones, convirtiendo Li2S en Li2S2. El polisulfuro continúa agregando átomos de azufre paso a paso hasta que se crea Li2S8 en el cátodo. Y cada vez que se desprenden electrones, se producen iones de litio que luego se difunden a través del electrolito, combinándose con electrones en el electrodo de litio para formar metal de litio. Cuando todos los Li2S se han convertido a Li2S8, la celda está completamente cargada.

Esta descripción está simplificada. En realidad, las reacciones son más complejas y numerosas, teniendo lugar también en el electrolito y en el ánodo. De hecho, a lo largo de muchos ciclos de carga y descarga, son estas reacciones laterales las que causan la degradación en una celda de azufre-litio. Minimizar estos, a través de la selección de los materiales apropiados y la configuración de la celda, es el desafío fundamental subyacente que debe cumplirse para producir una celda eficiente con una larga vida útil.

Con las células de azufre de litio, la degradación del ánodo de metal de litio también es un problema. Sin embargo, esto ocurre a través de un mecanismo muy diferente, uno que no implica la formación de dendritas. En las celdas de azufre y litio, las densidades de corriente desiguales en la superficie del ánodo hacen que el litio se chape y se pele de manera desigual a medida que la batería se carga y descarga. Con el tiempo, este recubrimiento y decapado desiguales causa depósitos similares a musgos en el ánodo que reaccionan con el sulfuro y los polisulfuros en el electrolito. Estos depósitos similares a musgos se desconectan eléctricamente del ánodo a granel, dejando menos superficie de ánodo disponible para la reacción química. Eventualmente, a medida que esta degradación progresa, el ánodo no funciona, lo que impide que la célula acepte carga.

Desarrollar soluciones a este problema de degradación es crucial para producir una célula que pueda funcionar a un alto nivel durante muchos ciclos de carga y descarga. Una estrategia prometedora que hemos estado siguiendo en Oxis consiste en recubrir el ánodo de metal de litio con capas delgadas de materiales cerámicos para evitar la degradación. Estos materiales cerámicos deben tener una alta conductividad iónica y ser aislantes eléctricamente, así como resistentes mecánica y químicamente. Las capas de cerámica permiten que los iones de litio pasen sin obstáculos y se incorporen al metal de litio a granel debajo.

Estamos haciendo este trabajo en la capa de protección para el ánodo en asociación con Pulsedeon y Leitat, y somos optimistas de que aumentará drásticamente el número de veces que se puede descargar y cargar una celda. Y no es nuestra única asociación. También estamos trabajando con Arkema para mejorar el cátodo con el fin de aumentar la potencia y la densidad de energía de la batería.

De hecho, la ventaja clave de las baterías de iones de litio sobre sus predecesoras, y del azufre de litio sobre el ion de litio, es la gran cantidad de energía que las células pueden acumular en una pequeña cantidad de masa. La batería de arranque de plomo que acciona el motor de combustión interna de un automóvil puede almacenar aproximadamente 50 vatios-hora por kilogramo. Los diseños típicos de iones de litio pueden contener de 100 a 265 Wh/kg, dependiendo de las otras características de rendimiento para las que se ha optimizado, como la potencia máxima o la larga vida útil. Oxis desarrolló recientemente un prototipo de celda de bolsa de azufre y litio que demostró ser capaz de 470 Wh/kg, y esperamos alcanzar los 500 Wh/kg en un año. Y debido a que la tecnología sigue siendo nueva y tiene margen de mejora, no es descabellado anticipar 600 Wh/kg para 2025.

Cuando los fabricantes de celdas citan cifras de densidad de energía, por lo general especifican la energía disponible cuando la celda se descarga a velocidades de potencia bajas y constantes. En algunas aplicaciones, tales tarifas bajas están bien, pero para los muchos aviones eléctricos previstos que despegarán verticalmente, la energía debe entregarse a velocidades de potencia más altas. Esta característica de alta potencia debe intercambiarse por una menor capacidad total de almacenamiento de energía.

Además, el nivel de densidad de energía alcanzable en una sola celda podría ser considerablemente mayor que lo que es posible en una batería que consta de muchas de estas celdas. La densidad de energía no se traduce directamente de la celda a la batería porque las celdas requieren embalaje: la carcasa, el sistema de administración de la batería y las conexiones, y tal vez los sistemas de refrigeración. El peso debe mantenerse bajo control, y por esta razón, nuestra empresa está utilizando materiales compuestos avanzados para desarrollar carcasas resistentes, resistentes al fuego y ligeras.

Para optimizar el rendimiento de la batería sin comprometer la seguridad, confiamos, ante todo, en un sistema de gestión de batería (BMS), que es una combinación de software y hardware que controla y protege la batería. También incluye algoritmos para medir la energía restante en una batería y otros para minimizar la energía desperdiciada durante la carga.

Al igual que las células de iones de litio, las células de azufre de litio varían ligeramente entre sí. Estas diferencias, así como las diferencias en la posición de las celdas en el paquete de baterías, pueden hacer que algunas celdas funcionen constantemente más calientes que otras. Con el tiempo, esas altas temperaturas degradan lentamente el rendimiento, por lo que es importante minimizar las diferencias de potencia de una celda a otra. Esto generalmente se logra utilizando una solución de equilibrio simple, en la que varias resistencias están conectadas en paralelo con una celda, todas controladas por software en el BMS.

Incluso cuando las tasas de carga y descarga se mantienen dentro de límites seguros, cualquier batería puede generar calor excesivo. Por lo tanto, por lo general, es necesario un sistema de gestión térmica dedicado. Un automóvil eléctrico puede usar refrigeración líquida, pero en la aviación, la refrigeración por aire es muy preferida porque agrega menos peso. Por supuesto, la batería se puede colocar en un punto donde el aire se mueve naturalmente a través de la superficie del avión, tal vez el ala. Si es necesario, el aire se puede desviar a la batería a través de conductos. En Oxis, estamos utilizando el modelado computacional para optimizar dicho enfriamiento. Por ejemplo, cuando introdujimos esta técnica en un proyecto para un pequeño avión, nos permitió diseñar un sistema eficaz de gestión térmica, sin el cual la batería alcanzaría sus límites de temperatura antes de que se descargara por completo.

Como se señaló anteriormente, un paquete de baterías se organiza típicamente con las celdas tanto en paralelo como en serie. Sin embargo, hay más en la disposición de las células. Por supuesto, la batería es un componente de misión crítica de un avión electrónico, por lo que querrá redundancia para una mayor seguridad. Podría, por ejemplo, diseñar la batería en dos partes iguales, de modo que si la mitad falla, se pueda desconectar, dejando al avión con al menos suficiente energía para gestionar un descenso y aterrizaje controlados.

Otro componente de software dentro del BMS es el algoritmo de estado de carga. Imagine tener que conducir un automóvil cuyo indicador de combustible tenía un error de medición equivalente al 25 por ciento de la capacidad del tanque. Nunca dejarías que el indicador bajara al 25 por ciento, solo para asegurarte de que el auto no se detuviera. Su alcance práctico sería solo tres cuartas partes del alcance real del automóvil. Para evitar este tipo de desperdicio, Oxis ha puesto un gran énfasis en el desarrollo de algoritmos de estado de carga.

En una batería de iones de litio, puede estimar la carga simplemente midiendo el voltaje, que cae al igual que el nivel de energía. Pero no es tan simple para una batería de litio-azufre. Recuerde que en la batería de litio-azufre, diferentes polisulfuros aparecen en el proceso electroquímico en diferentes momentos durante la carga y descarga. El resultado es que el voltaje no es un buen proxy para el estado de carga y, para complicar aún más las cosas, la curva de voltaje es asimétrica para la carga y la descarga. Así que los algoritmos necesarios para hacer un seguimiento del estado de carga son mucho más sofisticados. Desarrollamos el nuestro con la Universidad de Cranfield, en Inglaterra, utilizando técnicas estadísticas, entre ellas el filtro de Kalman, así como redes neuronales. Podemos estimar el estado de carga con una precisión de unos pocos por ciento, y estamos trabajando para mejorar aún más.

Todas estas opciones de diseño implican compensaciones, que son diferentes para diferentes aviones. Variamos la forma en que gestionamos estas compensaciones para adaptar nuestros diseños de baterías a tres tipos distintos de aeronaves.

• Los pseudo satélites de gran altitud (HAPS) son aviones que vuelan a unos 15.000 a 20.000 metros. La esperanza es poder volar durante meses a la vez; el récord actual es de 26 días, establecido en 2018 por el Airbus Zephyr S. De día, estos aviones utilizan paneles solares para alimentar los motores y cargar las baterías; de noche, vuelan con batería. Debido a que el período de carga y descarga de 24 horas solo requiere un poco de energía, puede diseñar una batería ligera y, por lo tanto, permitir una gran carga útil. La ligereza también hace que sea más fácil para un avión de este tipo volar lejos del ecuador, donde la noche dura más tiempo.
• Los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje verticales (eVTOL) se están desarrollando como taxis voladores. Lilium, en Alemania, y Uber Elevate, entre otros, ya tienen proyectos de este tipo en marcha. Una vez más, el peso es crítico, pero aquí las baterías no solo deben ser livianas, sino también potentes. Por lo tanto, Oxis ha desarrollado dos versiones de su química celular. La versión de alta energía está optimizada en muchos aspectos del diseño de la celda para minimizar el peso, pero se limita a una potencia relativamente baja; es la más adecuada para aplicaciones HAPS. La versión de alta potencia pesa más, aunque aún significativamente menos que una batería de iones de litio de rendimiento comparable; es muy adecuada para aplicaciones como eVTOL.
• Aviones ligeros: La creciente demanda de pilotos se enfrenta al alto costo de entrenarlos; un avión de entrenamiento totalmente eléctrico reduciría drásticamente los costos de operación. Un factor clave es la mayor duración del vuelo, que se habilita con la batería más liviana. Bye Aerospace, en Colorado, es una empresa líder en este tipo de aeronaves. Además, otras compañías, como easyJet, asociada con Wright Electric, están planeando aviones comerciales de pasajeros totalmente eléctricos para vuelos de corta distancia y 2 horas.