En la búsqueda por eliminar el litio en baterías, encontramos el candidato ideal: baterías de iones multivalentes.
Las baterías de iones de litio son fundamentales en la actualidad, especialmente en la era de la electrificación. Sin embargo, presentan limitaciones y el litio es un recurso finito con un considerable impacto ambiental. Esto representa un desafío si buscamos electrificar la movilidad. Por ello, surgen las futuras baterías de estado sólido, pero mientras tanto, un grupo de investigadores del NJIT ha ideado una forma de maximizar el uso de la tecnología existente: optimizar las baterías actuales.
¿Cómo? Mediante el uso de baterías de iones multivalentes.
Iones multivalentes. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Nueva Jersey (NJIT) propuso una alternativa. Si el litio es esencial pero escaso, se podrían utilizar elementos más abundantes como el magnesio, el calcio, el aluminio o el zinc para reemplazarlo o para ‘dopar’ las baterías actuales. El objetivo era, al menos, mantener las propiedades de las baterías existentes y, si era posible, mejorar el almacenamiento sin depender del litio.
Surgen entonces las baterías de iones multivalentes. A diferencia de las de iones de litio que cuentan con una única carga, las baterías de iones multivalentes permiten tener dos o incluso tres cargas positivas, lo que teóricamente permite almacenar más energía por ion.
No todo es perfecto. Esta capacidad, según se detalla en un estudio, aumenta el almacenamiento, pero su uso ha sido limitado por importantes desafíos técnicos. Los iones multivalentes son más grandes y tienen una carga mayor que los de litio, lo que complica su movimiento dentro de los materiales actuales.
Para simplificar, imagine que el interior de las celdas de una batería de iones de litio es una esponja con ciertos recovecos que atrapan partículas. En una batería de iones multivalentes, hay más espacios y cada uno de ellos atrapa más partículas, pero la esponja también es más grande.
Acelerado por la IA. Este ha sido el principal obstáculo en la industria, pero los investigadores del NJIT han recurrido a la inteligencia artificial para avanzar. La IA permite simular múltiples posibilidades y aislar las más prometedoras para realizar pruebas. Su objetivo era hallar nuevos compuestos viables para baterías de iones multivalentes, empleando un enfoque dual.
Por un lado, aplicaron un modelo llamado CDVAE (Autoencoder Variacional de Difusión Cristalina) entrenado con estructuras cristalinas conocidas para generar nuevos materiales. Por otro, un modelo de lenguaje a gran escala (LLM) ajustado para seleccionar solo las estructuras más estables desde el punto de vista termodinámico. Al concluir su investigación, identificaron cinco nuevos óxidos metálicos porosos que son ideales para transportar iones multivalentes de forma rápida y segura.
“Uno de los principales obstáculos no era la falta de químicos prometedores para baterías, sino la dificultad práctica de probar millones de combinaciones de materiales”, explicó Dibakar Datta, líder del equipo de investigación. “Recurrimos a la inteligencia artificial generativa como una forma rápida y sistemática de explorar ese vasto panorama y detectar las pocas estructuras que podrían hacer viables las baterías multivalentes”.
Estructuras aisladas por los modelos de IA. La Sección A es la del CDVAE. La B es la del LLM
Más allá de las baterías. El equipo ha validado las estructuras generadas por IA utilizando simulaciones mecánico-cuánticas y pruebas de estabilidad, confirmando que esos materiales podrían ser sintetizados y tienen un gran potencial para aplicaciones reales. Actualmente, están colaborando con otros laboratorios para sintetizar y probar esos materiales diseñados por IA.
Además, Datta destacó que, como efecto colateral de la investigación, se ha demostrado que la IA puede ser “un método rápido y escalable para explorar cualquier material avanzado, desde electrónica hasta soluciones de energía limpia, sin depender de pruebas extensivas de ensayo y error”. Una vez identificados los mejores resultados, queda comprobar su eficacia en el mundo real, pero gran parte del trabajo previo se acelera considerablemente.
¿Un mero parche? Aunque modificar la ‘fórmula’ de las baterías de iones de litio pueda ser una solución temporal, el enfoque de la industria sigue dirigido hacia la implementación de baterías de estado sólido. Estas baterías utilizan un sólido como catalizador, lo que resuelve muchos problemas de las actuales, además de ofrecer una mayor densidad energética y tiempos de carga más rápidos.
Dichas baterías ya están en desarrollo y cuentan con apoyo de parte de la industria automotriz. Sin embargo, esta tecnología es más costosa y aún no está completamente consolidada. Por ejemplo, Mercedes está avanzando en su implementación, mientras que otras compañías como BMW indican que, de momento, no está en sus planes debido al costo.
Imágenes | NJIT, Cell Reports Physical Science, Kumpan Electric
