EXCLUSIVO: Dentro del Tesla

Los pasillos de los laboratorios del Jeff Dahn Research Group, una instalación de investigación y desarrollo de baterías de iones de litio de fama internacional, están extrañamente tranquilos.

Estamos a finales de agosto y el físico homónimo del grupo está de vacaciones.

Al final del pasillo de la oficina de Dahn, unos 30 estudiantes de verano y posgraduados están sentados en una sala de conferencias mal ventilada escuchando una presentación.

Para el científico inexperto en baterías (es decir, este periodista que espera en un pasillo lleno de fotografías de Tesla) parece que, por el momento, todo el trabajo se ha detenido.

Pero no es así.

Cuando se gasta un millón de dólares al año tratando de desarrollar las baterías tecnológicamente más avanzadas del mundo para uno de los fabricantes de automóviles más famosos (o infames) del mundo, a menudo, literalmente, no hay descanso.

El sol cae con fuerza sobre el edificio de ciencias Sir James Dunn en el campus de la Universidad de Dalhousie en Halifax. Aquí es donde trabaja el grupo de investigación Dahn.

Es un clásico edificio bajo de piedra de tres pisos que lleva el nombre de un hombre que se convirtió en presidente de Algoma Steel, con sede en Ontario, cerca del pico de la Gran Depresión (y luego donó una gran cantidad de dinero a Dalhousie).

En 1935, Dunn asumió el control de Algoma e hizo todo lo posible para salvar a la empresa de la quiebra y la quiebra. Hoy Algoma es un proveedor clave en la fabricación de vehículos.

Y ahora, casi 90 años después, los científicos alojados dentro del edificio de Dunn (unas pocas docenas seleccionadas de todo el mundo) están dedicando 24 horas al día, siete días a la semana a transformar esa misma industria automotriz.

El Grupo de Investigación Jeff Dahn es responsable de descubrimientos decisivos en el mundo de los vehículos eléctricos. Muchos aparecen en los coches Tesla que circulan hoy en día. Los avances van desde la “batería de un millón de millas” (más sobre eso y por qué se llama mal más adelante) hasta el reciente descubrimiento de que la cinta verde que mantiene unidos los componentes en casi todas las baterías de vehículos eléctricos del mundo en realidad está reduciendo la autonomía.

"Las baterías son la tecnología central absoluta para todos los vehículos Tesla", dice Michael Metzger, catedrático Herzberg-Dahn de Investigación Avanzada de Baterías, Departamento de Física y Ciencias Atmosféricas y profesor asistente de física, en una entrevista con Electric Autonomy.

Metzger es uno de los dos científicos contratados por Dalhousie en enero de 2021 cuando se renovó su asociación con Tesla. Él y el presidente de Investigación de Tesla Canadá, Chongyin Yang, serán figuras clave en el plan de sucesión del Grupo Dahn, siempre y cuando su homónimo se jubile.

(Nota: este no es un anuncio de retiro de Dahn ni hay ningún indicio de que vaya a ocurrir. Pero, como ocurre con la mayoría de las cosas de alto riesgo, es prudente estar preparado).

"Tenemos interacciones muy estrechas con científicos e ingenieros de Tesla", dice Metzger.

Al parecer, los científicos de Tesla en el laboratorio del fabricante de automóviles en Dartmouth vienen regularmente a Dalhousie para realizar pruebas.

“Tenemos cinco grandes objetivos que acordamos: Tesla y nosotros. Estos son: costo, densidad energética, seguridad, vida útil y sostenibilidad”.

El entusiasmo de Metzger por la asociación entre Dahn Group y Tesla es palpable.

Según su relato, existe una dinámica yin y yang entre las dos instituciones. Se trata de un negocio que evoluciona rápidamente y está siempre hambriento. El otro, un laboratorio académico diligente y lento.

Pero es la combinación ideal para crear una incubadora de tecnología de punta.

“A veces esperamos dos o tres años antes de poder publicar un artículo de investigación. No muchos investigadores hacen eso. Podemos hacerlo porque contamos con financiación a largo plazo de Tesla. Otros necesitan mostrar un impacto inmediato y publicar datos”, afirma Metzger.

"Yo diría que [Tesla] quiere trabajar con nosotros porque intentamos hacer las cosas con mucho cuidado y realmente entendemos cómo podemos mejorar las baterías".

Metzger explica que los objetivos generales del Grupo Dahn y Tesla son intencionalmente vagos, lo que resulta útil a la hora de fomentar la innovación.

“Dentro de esas categorías hay muchísimos proyectos diferentes. Cada estudiante tiene su propio proyecto en el que trabaja”, dice Metzger, quien antes de unirse a Dalhousie trabajó en Silicon Valley y Alemania.

"La historia aquí es que estas baterías vienen en todas las formas y tamaños".

El contenido de una batería puede variar considerablemente, pero existen tres formas principales en el mercado: moneda, bolsa y cilíndrica.

Las formas de las baterías no son en sí mismas un misterio. La mayoría de los fabricantes de automóviles utilizan baterías de bolsa o cilíndricas. Lo que hace que cada batería sea única es el potencial químico de su interior.

En uno de los laboratorios del grupo Dahn hay varios estantes largos con pequeñas cajas de cartón. Cada caja contiene 500 celdas de batería con una combinación de letras y números garabateados en el exterior con rotulador negro.

"Básicamente, la historia de las células de iones de litio se remonta a 2016, cuando comenzó el proyecto Tesla", explica Metzger. “No creo que ningún otro laboratorio tenga algo así. Esto es realmente único”.

Metzger es abierto sobre lo que sucede en el grupo de investigación (sorprendentemente), pero no permite fotografías de las cajas de almacenamiento muertas. Esto se debe a que los códigos son las composiciones químicas de cada batería en la que ha trabajado el Grupo Dahn para Tesla.

Es un muro de secretos comerciales y una hoja de ruta de los aprendizajes del Grupo Dahn (y, por extensión, de Tesla) en el camino hacia la construcción de la mejor batería.

Metzger está sentado a una mesa en su despacho escasamente decorado. Se da vuelta y toma lo que parecen cuatro blisters de toallitas para manos de un estante de libros.

"Yo diría que es probablemente la mejor celda de iones de litio que se puede fabricar hoy en día", dice Metzger, señalando la más delgada de la línea de rectángulos azules extendidos sobre la mesa.

El pequeño paquete de aluminio, que es una celda de batería, mide dos centímetros de ancho y cuatro centímetros de largo. Tiene 3 milímetros de espesor.

En el interior, dice Metzger, hay un “rollo de gelatina” del tamaño de una prueba (un método para doblar y enrollar el ánodo, el cátodo y el separador juntos) que contiene la química de batería de mayor éxito que el Grupo Dahn ha producido para Tesla hasta la fecha.

La mini bolsa celular es la más delgada de las cuatro muestras y contiene un nuevo ingrediente.

“Carburo de silicio”, revela Metzger. “Si pones silicio en tu electrodo negativo, puedes aumentar mucho la densidad de energía. Incluso en este pequeño volumen se puede almacenar la misma energía que se puede almacenar en esta batería gruesa: la batería de fosfato de hierro y litio (LFP)”.

Pero, dice Metzger, hay un problema.

La batería de silicio (Electric Autonomy sabe cuánto silicio contiene, pero acordó no informarlo) no realiza ciclos, es decir, se carga y descarga, tan bien como la batería LFP que desarrolló el grupo.

La batería del LFP, según Metzger, es la segunda mejor de las cuatro. Es más gruesa que la batería de silicio, pero funciona "súper bien".

Mientras tanto, la batería NMC en la línea de escritorio ya es famosa como la "batería del millón de millas" de Dahn y Tesla. Pero, dice Metzger, es necesario un cambio importante de nombre.

“Esta célula tiene ahora 19.500 ciclos [y contando]. Cada ciclo es de 300 kilómetros. Entonces, si fuera a 20.000 ciclos serían 6 millones de kilómetros”.

Es decir, 3.728.227,15 millas.

Una batería de casi cuatro millones de millas es una innovación sísmica.

Una batería con un rendimiento de por vida en ese rango es en sí misma un logro histórico. Pero no es el único hallazgo alentador que está descubriendo el Grupo de Investigación Dahn.

Al final del pasillo desde la oficina de Metzger hay una habitación semioscura. Sentada entre una torre de computadoras y equipos de medición que llega casi desde el piso hasta el techo, hay una pantalla de computadora de escritorio que muestra una ecuación bien conocida en física.

Hay un número mágico en la tecnología de baterías: 1.

El 1, explica Metzger con un fuerte zumbido que domina casi todas las salas del laboratorio, representa la eficiencia coulómbica (CE) óptima. Ésta es la eficiencia con la que se mueven los electrones y los iones de litio en las baterías.

Tomemos, por ejemplo, la celda de batería ultrafina basada en silicio que se encuentra en el escritorio de Metzger. Tiene la mejor densidad de energía para cualquier batería fabricada en los laboratorios de Dahn. Sin embargo, tiene una eficiencia cíclica deficiente en comparación con otras químicas.

La batería perfecta tendrá un ciclo de descarga y recarga que, dividido entre sí, será igual a 1.

Es poco probable, afirma Metzger, conseguir una batería 1 CE perfecta, “pero podemos acercarnos muchísimo. Y estamos trabajando en ello”.

El “trabajo en ello” al que se refiere Metzger es el trabajo que el grupo continúa haciendo en la batería NMC/millón de millas. Lo que el equipo está descubriendo es que más de cinco millones de kilómetros después, la batería NMC está haciendo lo contrario de lo que teme el mercado.

No se está desgastando; en realidad está mejorando.

"Lo bueno de las baterías es que la eficiencia coulómbica mejora durante los primeros ciclos", explica Metzger.

“A menos que le sucedan cosas realmente malas a la batería durante su vida útil, el número [CE] no bajará. Simplemente aumentará, cada vez más lentamente. Esa es una propiedad asombrosa de las baterías: en realidad, se vuelven mejores y más seguras con el tiempo”.

En este momento, el CE de la batería de un millón de millas está "increíblemente cerca de 1", dice Metzger. Un artículo publicado por Dahn Group en 2019 fija el CE en 0,99985.

Hasta donde sabe el Grupo Dahn, puede ser la mayor eficiencia alcanzada hasta ahora en el mundo de las baterías.

Entonces, ¿qué “cosas realmente malas” le pueden pasar a una batería durante su vida útil? Bueno, para empezar, puede vivir en el mundo real y no en un laboratorio altamente controlado.

Y es fundamental comprender y tener en cuenta la diferencia entre una batería de laboratorio y una batería de la vida real.

Para tener en cuenta todas las variables que una batería puede encontrar en su ciclo de vida operativo y que podrían provocar que falle prematuramente, el grupo somete las celdas de la batería a intensas pruebas de estrés.

Estos van desde poner las celdas de la batería a una temperatura de 100 grados Celsius (resulta que el calor es mucho más perjudicial para una batería que el frío, dice Metzger) hasta someterlas a decenas de miles de ciclos de carga y descarga.

Para realizar estas pruebas, los investigadores se basan en una variedad de herramientas disponibles en el mercado (hornos calentados, por ejemplo) y algunos inventos que ellos mismos han hecho.

La pieza central de los inventos hechos en Dahnland vive en esta habitación fresca y oscura. En 2013, un conocido alumno de Dahn, Chris Burns, no estaba satisfecho con el tiempo que llevaba realizar pruebas a largo plazo de baterías en el laboratorio para ver cómo funcionarían en el mundo real. Pero no había ninguna herramienta disponible en el mercado para abordar el problema.

Entonces, Burns, ahora director ejecutivo de Novonix, empresa de soluciones de tecnología de baterías con sede en Bedford, NS, se encargó de inventar y luego construir "un cargador de ultra alta precisión", explica Metzger.

“Diría que fue realmente un gran avance para la investigación de baterías. Es una herramienta extremadamente útil para la industria. La razón por la que Tesla quiere trabajar con nosotros no es por las herramientas disponibles que también pueden comprar. Quieren acceso a técnicas como ésta”.

Burns, a través de Novonix, vende ahora el cargador de ultra alta precisión en una forma más compacta que la versión 1.0 en Dalhousie.

Pero el espíritu inventor permanece y el Grupo de Investigación Dahn sigue desarrollando nuevas “máquinas que fabrican las máquinas” (para tomar prestada una frase del director ejecutivo de Tesla, Elon Musk).

Al final del pasillo y en una habitación diferente y mucho más luminosa que la del cargador de Burns, Metzger se encuentra junto a una hilera de cajas de metal rojas. Parece a medio construir, pero sigue siendo muy complicado.

Y es.

La especialidad de Metzger es estudiar el gas emitido por las celdas de las baterías durante el proceso de ciclado. A veces, los materiales de la batería pueden interactuar y crear una "reacción secundaria", que genera emisiones de gases no deseadas. Estas emisiones, si son lo suficientemente altas, pueden desestabilizar la batería y provocar que falle o algo peor.

De hecho, la mayor parte de la gira estuvo intercalada con Metzger dando rápidas explicaciones y escenarios que detallaban todos los ángulos imaginables sobre el problema de la acumulación de gases no deseados.

La versión corta es que la acumulación de gas es mala. Los investigadores, como Metzger, necesitan una herramienta para medir qué son los gases y cuánto de cada uno se produce en la celda de la batería durante el proceso de ciclo para ayudarlos a descubrir cómo y por qué sucede esto y cómo solucionarlo.

Lamentablemente, no había ningún producto de Amazon disponible con entrega al día siguiente para que Metzger pudiera realizar el pedido. Por eso, pasó varios años escribiendo propuestas para conseguir financiación para construir su propia máquina de medición de gas con la esperanza de resolver su problema.

"Se llama espectrómetro de masas electroquímico en línea multicanal", dice Metzger sobre su invento. Una vez operativa, la máquina de seis cámaras utilizará una serie de tubos, cámaras e imanes para aislar todos los gases que se emiten desde una celda de batería, además de medir la cantidad de cada gas que se produce mientras la celda circula.

“Es muy importante para nosotros. Necesitamos entender cuándo salen los gases, en qué condiciones, qué temperaturas [y] qué voltajes para poder solucionarlo. Estamos viendo el primero del mundo, pero no sabemos si funcionará”, añade Metzger.

Hay 118 elementos conocidos en la tabla periódica.

Hasta ahora, Canadá ha clasificado 31 de ellos como “minerales críticos para baterías”. Pero eso no significa que la versión más pura de estos minerales sean los únicos ingredientes que contendrá una batería.

Si bien la ciencia son reglas y principios, la innovación es un arte. A veces exige que los investigadores sean capaces de aplicar un talento creativo a su trabajo.

Por ejemplo, dice Metzger, tradicionalmente las celdas de batería de iones de sodio (una nueva y prometedora química de batería) deben fabricarse en una habitación seca porque los materiales activos pueden reaccionar con el agua al aire libre. "Entonces, puedes imaginar lo caro que es construir una instalación como esta".

Pero, a principios de 2023, uno de los estudiantes de Metzger, el Dr. Libin Zhang, intentó agregar un dos por ciento de calcio a los materiales de su batería para ver si podía detener esta reacción no deseada en el proceso de fabricación de la batería.

“Los materiales permanecieron perfectamente estables al aire durante una semana. Un avance total”, afirma Metzger. “Ahora la gente puede fabricar estos materiales en fábricas, incluso si la humedad es un poco alta, y no necesitan preocuparse por eso. Eso es algo muy importante”.

Y a principios de este año, otro de los estudiantes de Metzger, Anu Adamson, logró un gran avance después de notar que las células no utilizadas se encontraban en estantes y, inexplicablemente, se autodescargaban.

¿Por qué, se preguntaron Adamson y Metzger, estaría sucediendo esto? Las baterías no estaban en uso; nunca habían estado en uso. Por lo tanto, no debería haber ningún gasto en su cargo.

El equipo probó todos los componentes de la batería. Finalmente descubrieron que la cinta verde, omnipresente en las celdas de las baterías para mantener unidos los componentes y que no cumple ninguna otra función, contiene un polímero de tereftalato de polietileno.

Este polímero reacciona con los productos químicos de una batería, provocando una reacción del electrodo que agota la batería. Se llama "reacción parasitaria".

“No pensamos que importaría. Pero resulta que estas cintas son bastante importantes”, afirma Metzger. Una simple solución al uso de una cinta más delgada y económica con adhesivo de polipropileno resolvió el problema.

"Eso es algo que se implementará en la industria".

Estos minuciosos descubrimientos (añadir calcio a los materiales de las baterías para estabilizarlos y descubrir una solución alternativa a la reacción no deseada del polímero de la cinta verde) se destacan como aspectos destacados una vez cada dos o tres años en la línea de trabajo de Metzger.

Y eso, para Metzger, es la motivación para seguir retocando y modificando, a veces molécula por molécula, hasta llegar a ese punto óptimo de la química que producirá la batería ideal.

“Quería hacer algo que pudiera tener un impacto en el cambio climático y hacer algo útil. Tenemos que electrificarlo todo y tenemos que hacerlo antes de 2050; de lo contrario, estamos jodidos”, afirma Metzger al final del recorrido de dos horas.

“Es un pensamiento muy impactante para mí, pero en 2050 tendré 65 años. Me jubilaré. Entonces, en ese momento, ya sabes, si he hecho una buena contribución al campo, creo que seré feliz”.

Me alegra que algunas personas estén trabajando diligentemente en los problemas más importantes del día en lugar de quedarse sentados y declararlo inútil.

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