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Por qué el nitruro de galio podría ser el verdadero Santo Grial para las baterías de vehículos eléctricos


  • El suministro global de litio puede disminuir, pero aún podemos reducir los costos de energía usando menos litio y cambiando a otro material en su lugar.
  • Los sistemas de vehículos eléctricos suelen utilizar semiconductores de silicio, pero esa no es la única opción.
  • El nitruro de galio, por ejemplo, ofrece mayor densidad de energía y ahorro de peso.

    Los rumores sobre la entrada de Tesla en el negocio de la minería del litio comenzaron a circular en abril después de que la compañía contratara a un geólogo de exploración de Rio Tinto, la segunda compañía minera y metalúrgica más grande del mundo. El CEO Elon Musk prácticamente lo confirmó el 8 de abril. tweeter:

    “¡El precio del litio ha alcanzado niveles de locura! Es posible que Tesla tenga que ingresar a la minería y refinación directa a gran escala a menos que mejoren los costos. No hay escasez del elemento en sí, ya que el litio está en casi todas partes de la Tierra, pero la tasa de extracción/refinación es lenta”, dice Musk.

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    Tiene razón: el litio metálico es caro. están altísimo. Según un informe de S&P Global Commodities Insight de diciembre de 2021, los precios del carbonato de litio transportado por mar se dispararon un 413 % entre enero y diciembre de 2021; Los precios del hidróxido de litio aumentaron un 254% durante el mismo período. S&P Global dice que se espera que estos costos continúen disparándose hasta 2022, lo que deja preguntas abiertas sobre cómo crear baterías EV de manera rentable con materiales renovables.

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    Resulta que el secreto puede estar en un material totalmente diferente, lo que nos permite usar menos litio. Permítanos presentarle el nitruro de galio (GaN), un compuesto químico comúnmente utilizado como semiconductor en diodos emisores de luz desde la década de 1990.

    Primero, ¿cómo funcionan las baterías de iones de litio?

    En general, las baterías tienen un ánodo, un cátodo y un electrolito. La corriente fluye a través del ánodo, circula y luego los dispositivos conectados a la batería usan esa corriente antes de que regrese a través del cátodo. Desde allí, los iones cargados son arrastrados a través del material electrolítico para circular nuevamente.

    En una batería de iones de litio del diseño casi omnipresente que vemos hoy, el material del ánodo es grafito, la forma natural más abundante de carbono y una sustancia liviana y altamente conductora. El electrolito es un líquido de sal de litio altamente combustible (una discusión para otro día). El cátodo es uno de varios compuestos formados por litio junto con algunos otros elementos.

    Muchas partes diferentes contribuyen al volumen y la carga de las baterías de iones de litio, lo que significa que hay muchas oportunidades para mejorar el rendimiento de manera que se reduzca nuestra dependencia cada vez menor del litio. Imagina que tienes un frasco de hermosos hilos de azafrán y te das cuenta de que solo quedan tres. ¿Que haría? Disminuiría la velocidad y pensaría en cómo usarlos de manera más efectiva en sus recetas. Nuestro bote de litio está casi vacío.

    ¿Por qué el nitruro de galio es el próximo gran avance para las baterías?

    elementos de zinc y galio

    Davidimágenes falsas

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    Hay mucho debate dentro de la industria de las baterías para vehículos eléctricos sobre cuál será el próximo gran avance. Podría ser litio sólido, que presenta sus propios desafíos, pero ofrece más estabilidad en comparación con los electrolitos líquidos volátiles. Podría ser una de las docenas de mezclas de litio en la industria, o algo completamente nuevo. Pero también podría ser algo tan simple como los semiconductores.

    Semiconductor Navitas es una de las muchas empresas de la industria que busca tener un impacto en el campo de las baterías para vehículos eléctricos. Él dice que simplemente cambiando el nitruro de galio (GaN) por silicio, las baterías EV podrían perder un peso crítico y recargarse más rápido. Todo esto se debe a la composición química y física de GaN en comparación con el silicio, lo que le da a GaN una mayor capacidad con menos material.

    El galio es un metal blando de la misma familia que el aluminio. Es sólido a temperatura ambiente, pero apenas, con un punto de fusión de alrededor de 85 grados Fahrenheit. Pero cuando se combina con abundante nitrógeno, se convierte en GaN, un material semiconductor muy duro. GaN no es una violeta que se encoge; un estudio 2017 de la Universidad de Shandong en China, al examinar GaN como material de ánodo, lo llamó el «nitruro III más estudiado», en comparación con conductores similares AlN (aluminio) e InN (indio), por ejemplo.

    GaN ya se usa en bombillas de diodos emisores de luz (LED). Mientras que las bombillas incandescentes de filamento de tungsteno tradicionales tienen una eficiencia de solo el 5 %, las bombillas LED de GaN puede alcanzar el 60% de eficiencia. Y podría tener una mejora similar, si no tan dramática, sobre el silicio que se usa comúnmente como semiconductor. Es por algo llamado banda prohibida.

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    En química, la banda prohibida es la distancia entre la banda de conducción y la banda de valencia de los átomos del material. Esto se refiere a los dos lugares donde los electrones pueden entrar y salir, y ayuda a los científicos a calcular qué tan conductivos son los diferentes materiales. La banda prohibida, como la distancia entre estas dos bandas, es importante para otros aspectos de los semiconductores.

    El silicio tiene una banda estrecha (1,1 electrón-voltio) y GaN tiene una mucho más ancha (3,4 electrón-voltio). En última instancia, esto significa que el material puede contener más partículas que pasan electrones, lo que da como resultado materiales más densos que pueden transportar la misma cantidad de corriente. Ahorramos materiales encogiendo los propios semiconductores, ahorrando peso y aumentando el flujo de electrones durante la carga.

    Navitas dice en sus materiales que GaN también es, sorprendentemente, una forma de mejorar los sistemas de tracción de los vehículos eléctricos que traducen literalmente la energía en el agarre del vehículo en la carretera. Esto significa más movimiento con menos energía, porque hay menos desperdicio al «girar las ruedas». De hecho, parece que GaN podría hacer mucho más con menos cuando se trata de semiconductores EV.

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