Las baterías Prieto 3-D prometen revolucionar la carga y uso de nuestros smartphones

“Nuestra misión es hacer una gran batería que se cargará muy rápido y almacenará mucha energía, pero usará métodos que sean respetuosos con el medio ambiente”, dijo la fundadora y directora ejecutiva de la compañía, Amy Prieto, profesora asociada de química en la CSU (Colorado State University).

Si sabe algo acerca de baterías, esa es una meta difícil de alcanzar.

La última gran revolución de la batería sucedió a principios de los años 90, cuando Sony se convirtió en la primera compañía en comercializar baterías de iones de litio. Hoy en día, utilizamos estas baterías recargables para alimentar nuestros dispositivos móviles, desde teléfonos inteligentes y computadores portátiles hasta autos eléctricos. Ha habido brotes de mejoras, incluidas versiones de carga más rápida, pero también retrocesos, especialmente el fiasco explosivo de la batería de Samsung, que llevó a las aerolíneas a prohibir los teléfonos Galaxy Note 7 el año pasado.

El dilema ha sido que las baterías recargables están diseñadas para potencia o longevidad, no ambas. A pesar de esta dificultad tecnológica, la empresa Stanley Black & Decker que fabrica herramientas eléctricas inalámbricas, le creyó a Prieto inviertiendo en ella para alcanzar el sueño de la carga rápida y duradera.

También está el factor ecológico, o la falta de él. En estados como California, es ilegal botar las baterías a la basura porque los productos químicos en su interior podrían tener fugas en los vertederos y contaminar el suministro de agua subterránea.

Y luego están los problemas de seguridad, incluso con los teléfonos inteligentes.

“Es como si se llevara un bidón de gasolina”, dijo Donald Saxman, analista de baterías de la empresa de investigación de mercado BCC Research. “Por supuesto que deseamos reducir el riesgo tanto como sea posible. Y están trabajando en eso. Pero al mismo tiempo, como con cualquier tecnología, debemos equilibrar los riesgos, el rendimiento, la fabricación, el precio y el tamaño. Probablemente se pueda crear una batería bastante segura con mucha contención si uno estuviese dispuesto a acarrear una batería de 1,5 kg en un iPhone de 300 grs. La gente quiere reducir el riesgo, pero no lo hará ni gastará US$ 1.600 en eso”.

Las baterías son un gran negocio. De acuerdo con la Asociación de Tecnología del Consumidor, los ingresos al por mayor de las baterías primarias, recargables y especializadas para dispositivos de consumo alcanzaron los US$ 6.600 millones el año pasado. Se espera que las ventas crezcan a US$ 6.700 millones este año.

Pero el cambio ha sido mínimo.

“En la década de los 90s, el ion de litio apareció en la escena y comenzó a desplazar al cadmio. No veo nada que reemplace las baterías de iones de litio en los próximos cinco a 10 años”, dijo George Kerchner, director ejecutivo de PRBA – The Rechargeable Battery Association, y agregó que los recientes avances han sido por el lado de la fabricación. “Ciertamente veo que han mejorado la densidad de energía y la seguridad. Pero no será el próximo año en el que vea una nueva tecnología de batería que desplace el ion de litio. El cambio es relativamente lento en esta industria”.

Otra razón por la que puede parecer que las baterías no han cambiado mucho es que las mejoras se ven superadas por los dispositivos que las usan, dijo Saxman, que ha venido cubriendo la industria durante mucho tiempo y es escéptico de que una nueva tecnología se convierta en la próxima gran cosa.

“La tecnología está mejorando mucho más lento que la demanda”, dijo. “El mayor problema es que las tablets, los teléfonos inteligentes y, en menor medida, los computadores portátiles siguen agregando más y más funciones. Siguen necesitando más electricidad porque están conectados a GPS y dispositivos que absorben energía”.

La tecnología de Prieto, sin embargo, puede finalmente darle a las baterías la ventaja. Su batería es tan prometedora que Stanley Ventures, Intel Capital y otros han invertido US$ 10 millones en la compañía y están en el primer lugar para cuando se lance el producto final. En abril, Moses Lake Industries, el fabricante del estado de Washington conocido por afinar procesos químicos para fabricantes de chips, se asoció con Prieto para fabricar las nuevas baterías a escala. Los primeros prototipos comerciales este mes de octubre. Y si todo va bien, las baterías Prieto podrían comenzar a aparecer en productos de consumo durante el año 2020.

“El potencial de Prieto es muy grande debido a su densidad energética y su seguridad”, dijo Mark Willey, director de tecnología de MLI (Moses Lake Industries), que nunca ha fabricado una batería. “Cuando pienso en su tecnología, pueden empaquetar más energía en un factor de forma más pequeño, y es seguro. No va a explotar debido a la configuración”.

Repensando la batería

Para entender qué es lo que hace que las baterías de Prieto sean tan especiales, debe deshacerse de cualquier noción que tenga sobre cómo se ve una batería.

Las baterías Prieto pueden ser muy delgadas o gruesas y cortadas para adaptarse a una amplia variedad de formas, desde un delicado anillo de matrimonio hasta el marco de un automóvil. Pero la delgadez no es la clave. Lo importante es como colocar las capas típicas de una batería para permitir un mayor almacenamiento de energía y para acelerar la carga y la descarga.

“Si desea que su batería sea realmente rápida, tiene que lograr que las capas sean realmente delgadas. Pero luego su batería no almacenará mucha energía”, dijo Prieto. “No hay manera de desacoplar estos dos factores usando una arquitectura convencional 2-D. Es por eso que lo que estamos desarrollando es una batería 3-D”.

La batería Prieto se basa en el concepto principal de una batería: los lados negativo (ánodo) y positivo (cátodo) de la batería intercambian electrones para producir energía.

Pero su arquitectura 3-D es la clave. En en vez de utilizar láminas planas de metal que vemos en las baterías convencionales, Prieto comienza con una espuma que cubre con las capas necesarias de química de batería.

Técnicamente, así es como Prieto construye su batería 3-D:

1. Comienza con un sustrato de espuma de cobre.
2. Usando un proceso de galvanoplastia, la espuma se recubre con el ánodo de antimonio de cobre.
3. Luego se recubre con un electrólito de estado sólido.
4. Luego se recubre con un lodo de cátodo de óxido de cobalto de litio.

Las tres capas separadas se filtran en las grietas y bordes de la espuma, que tiene una mayor superficie para almacenar energía. La textura tridimensional también acorta la distancia que deben recorrer los electrones, lo que acelera la carga y la descarga.

Para un cliente como Stanley Black & Decker, eso significa que las herramientas eléctricas inalámbricas mantendrían alta potencia durante períodos más largos. Para fabricantes de electrónica, incluido Intel, esto significa que una batería más pequeña liberará espacio en una placa o dispositivo para otros componentes y funciones. Pero lo que es más importante, esto significa que un producto podría alcanzar alta demanda.

“No nos habríamos comprometido con ellos si no hubiera sido innovador”, dijo Willey, con Moses Lake. “Lo clave para MLI es que ellos (Prieto) tienen un camino despejado para las ventas a través de Stanley Black y Decker e Intel. No es solo una startup. Tienen inversionistas reales y clientes que realmente usarían su producto”.

3-D es un laboratorio real

Amy Prieto no viene de un trasfondo de batería. Ella es una química sintética que se especializa en la creación de nuevos materiales, “que se parece mucho a la cocina”, dice. “Me encantan los problemas donde la gente ya sabe lo que quiere, pero nadie conoce el material correcto”.

Pero cuando se unió a la CSU en 2005, golpeó la pared.

“Todos los dispositivos en los que podía pensar estaban limitados por la batería”, dijo. “Entonces pensé que si pudiera fabricar una batería mejor, los dispositivos no estarían limitados de esa manera”.

Descubrió que la idea de las baterías 3-D ya estaba bien documentada. Las baterías de estado sólido, que no filtrarán líquidos tóxicos, también estaban en desarrollo. Pero nadie había fabricado una batería 3-D comercialmente viable. Al igual que con cualquier nueva invención, a veces las cosas simplemente no llegan al mercado porque el proceso es demasiado caro, toma demasiado tiempo o simplemente no puede escalar para servir a un mercado masivo.

Así que Amy Prieto y sus estudiantes graduados hicieron una lista.

“Volviendo a mi formación en Bell Labs (como estudiante de postgrado), sabía que si el objetivo final es fabricar una batería que funcione y sea útil, no se puede lograr con algo que sea costoso o lento”, dijo. “Entonces hice una lista de cosas que no podíamos usar porque eran demasiado costosas o demasiado peligrosas. Terminamos con galvanoplastia”.

La galvanoplastia es el uso de una corriente eléctrica para recubrir una pieza de metal con más metal, como la fabricación de un anillo de oro blanco, donde se sumerge un anillo de oro en un líquido infundido con metal blanco disuelto. La corriente ayuda al oro a atraer el metal blanco y formar una capa uniforme. Prieto dijo que este proceso de fabricación requiere solo agua y ácido cítrico, un ingrediente natural que se encuentra en los cítricos.

Sin embargo, no todo es ecológico, dijo Prieto. En particular, el antimonuro de cobre es tóxico. Pero en el proceso de galvanoplastia, los productos químicos se unen a las capas para que no sean parte del producto de desecho. El litio en la batería también debe reciclarse. Prieto espera que algún día, productos químicos como el litio se puedan reutilizar en lugar de enviarlos a un vertedero.

El año pasado, Prieto Battery demostró a Stanley Black & Decker que la batería funciona. El fabricante de herramientas utilizó una impresora 3-D para hacer un contenedor de batería y Prieto puso 8 de sus baterías en el interior.

“Hicimos un paquete para un taladro y eso fue emocionante. Nunca habíamos alimentado algo tan grande antes”, dijo Amy Prieto. “Esa demostración fue hace un año, y esos paquetes todavía tienen una buena carga”.

Hasta ahora, Prieto Battery ha podido demostrar que su batería de ion de litio de estado sólido puede almacenar de tres a cinco veces la energía por volumen que una batería convencional. Ha disminuido los problemas de inflamabilidad al ser una batería en estado solido. “Hemos tratado de incendiar nuestra batería y aún no hemos podido, lo cual es una buena señal”, dijo.

En teoría, las baterías Prieto podrían cargarse entre 100 y 1.000 veces más rápido que las baterías recargables convencionales, sin embargo la compañía aún no está cerca de eso. Prieto aun nsigue trabajando para lograr que se carguen dos veces más rápido.

Para artículos pequeños, como una batería para un reloj, la compañía demostró en el laboratorio que la batería pudo realizar 1.000 ciclos de recarga, lo que representa el doble de ciclos de lo se puede obtener de un iPhone. En teoría, la tecnología debería traducirse en baterías mucho más grandes para adaptarse a dispositivos más grandes. El desafío es mantener esa larga vida pero empujar los límites del rendimiento.

Con nueve patentes y 20 más pendientes, Prieto Battery está se encamina para entregar su primer prototipo comercial a Stanley Black & Decker este mes. La compañía de herramientas eléctricas han tenido problemas con las herramientas inalámbricas principalmente porque las herramientas necesitan mucha energía que proviene de baterías. Y el gran problema con las baterías es que demoran mucho tiempo en recargarse.

“Analizamos 50 tecnologías de batería diferentes. Prieto es la única en la que invertimos”, dijo Larry Harper, vicepresidente de Stanley Ventures. “Stanley vende una gran cantidad de baterías y siempre estamos buscando enfoques nuevos e innovadores que nos brinden más potencia y carga en menos tiempo. La oportunidad que nos ofrecieron de ser verdes también fue muy atractiva. … Esto fue realmente atractivo porque tenían los tres atributos”.

Harper dijo que cree que las baterías Prieto podrían aparecer en los productos Black & Decker a fines de 2018. Y Prieto planea tener productos de batería para Intel un año después. Y si la batería 3-D de Prieto revoluciona el mundo, es posible que los consumidores ni siquiera se den cuenta.

“Todavía sigue siendo una batería de iones de litio”, dijo. “Simplemente lo que uno notará es que mi teléfono dura más tiempo con una sola carga. Se cargará más rápido que uno convencional. Y lo ideal es que ya no estemos leyendo sobre incendios en las noticias”.