R E V I S T A
NICKEL
L A R E V I S TA D ED I C A D A A L N Í Q U EL Y S U S A P L I C A C I O N E S NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
El níquel lidera la carga El níquel en las baterías recargables de aviación
Charla sobre baterías con el Dr. Stanley Whittingham
El níquel comercialmente puro: excelente resistencia a la corrosión
MODJESKI AND MASTERS
ESTUDIO DE CASO 29 PUENTE CONMEMORATIVO IOWA-ILLINOIS
ISSDA
Se trata de una de las mayores inversiones jamás realizadas por los dos estados, Iowa e Illinois. ¿Las prioridades clave del proyecto de 1000 millones de dólares? Construir un puente diseñado para una vida útil de 100 años, así como crear un hito emblemático que transformaría y embellecería la ribera del río en las Quad Cities, las cuatro ciudades a lo largo del río Mississippi.
Los arcos están fabricados con una combinación de acero ASTM A709 HPS7OW y ASTM A709 HPS50W que contiene níquel, recubierto con un sistema de revestimiento de fluoropolímero. Las tuercas de anclaje y acoplamiento son de acero inoxidable dúplex tipo 2507 (UNS S32750) con un límite elástico de 116 ksi para reducir las necesidades de mantenimiento y prolongar la vida útil de los arcos. En el pavimento se utilizó acero intemperizado sin revestimiento. También se utilizó acero inoxidable para las barras de refuerzo del tablero del puente.
NICKEL, VOL. VOL. 38, 38, N.º N.º 3, 3, 2023 2023 22 || NICKEL,
Los puentes gemelos originales ya no eran capaces de soportar con eficacia las crecientes exigencias del tráfico de la bulliciosa región. El primero se construyó en la década de 1930 y su gemelo en 1959. No había arcenes y la anchura de los carriles era inferior a la de los estándares actuales. En una labor conjunta, el equipo de los Departamentos de Transporte de Iowa e Illinois, las empresas de ingeniería y diseño de infraestructuras Alfred Benesch and Company y Modjeski and Masters desarrollaron un diseño de arco de acero de «asa de cesta» con un apuntalamiento mínimo. El constructor Lunda Construction Co. comenzó las obras en 2017 y el puente se inauguró a finales de 2021. La necesidad de mantener el flujo de tráfico entre ambos estados exigía una compleja puesta en escena y métodos de construcción únicos.
Para facilitar la construcción entre dos puentes, Lunda trajo dos de las grúas torre independientes más altas (casi 122 metros de altura) jamás utilizadas para construir un puente en el Medio Oeste. La construcción de un puente con arcos en forma de asa de cesta de casi 75 metros de altura exigía materiales de alta calidad y tecnología emergente. Para ensamblarlos, el fabricante Industrial Steel Construction creó 30 secciones de caja de acero soldadas para cada uno de los dos vanos en sus instalaciones de Gary, Indiana. Las secciones del arco se cargaron en barcazas y camiones y se entregaron en las Quad Cities. En total, los dos vanos suman más de 35 000 toneladas de acero estructural. Este proyecto transformador obtuvo los máximos honores en los America's Transportation Awards.
EDITORIAL: EL NÍQUEL LIDERA LA CARGA Víctor Hugo dijo una vez: «No hay nada más poderoso que una idea a la que le ha llegado su hora». Y la tecnología de las baterías —especialmente su papel en la transición hacia un futuro eléctrico— es una de esas ideas. Así es como la Dra. Parvin Adeli, experta en baterías del Nickel Institute, inauguró el Día de la Batería del Nickel Institute en julio de 2023. Encontrará más información sobre este acontecimiento en la página 5.
EVIATION ILLUSTRATION
El Día de la Batería fue una rica fuente de información actualizada sobre las baterías que contienen níquel y de inspiración para esta edición de Nickel. Las baterías que contienen níquel están conformando el futuro del almacenamiento de energía y el transporte, y la carga hacia un mundo más ecológico y conectado está impulsada por las baterías de níquel. Las composiciones químicas basadas en el níquel representan casi dos tercios de la capacidad de las baterías para el sector de los vehículos eléctricos, y se están desarrollando continuamente nuevas aplicaciones para el transporte. El límite es el cielo. Literalmente. Con cerca del 12 % de las emisiones relacionadas con el transporte, la aviación está en el punto de mira. ¿Serán comunes en el futuro los aviones que funcionen con baterías? En este número sopesamos los avances y los retos en la búsqueda de la electrificación de la aviación.
JOHN B. GOODENOUGH
AKIRA YOSHINO
STANLEY WHITTINGHAM
Los doctores John Goodenough, Akira Yoshino y Stanley Whittingham fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2019 por su trabajo en el desarrollo de las baterías de iones de litio.
El Dr. Stanley Whittingham nos cuenta su propia trayectoria en el campo de las baterías desde la década de 1970 y los avances que le llevaron a recibir el Premio Nobel de Química en 2019 por el desarrollo de las baterías de iones de litio. Su trabajo y el de sus colegas, los doctores John Goodenough y Akira Yoshino, es la base de gran parte de la actual tecnología de baterías. Y en nuestra serie explicativa, ¿Por qué el níquel? el tema es, por supuesto, ¡las baterías! Aunque este número de Nickel se centra en las baterías, no olvidamos otras aplicaciones de los materiales que contienen níquel. Pase a la contraportada para conocer el impresionante Salmon Eye, un proyecto encargado para inspirar e informar sobre cómo proporcionar al mundo alimentos sostenibles procedentes del mar. Otra idea a la que le ha llegado su hora. Clare Richardson Editora, Nickel
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 3
02
Estudio de caso n.º 29 Puente conmemorativo Iowa-Illinois
03
Editorial El níquel lidera la carga
04
Novedades de Nickel
06
Aviación eléctrica
NICKEL
ACTUALIDADES
ÍNDICE
¿Acercándose a la velocidad de despegue?
09
Baterías de estado sólido en los VE
10
Charla sobre baterías el Dr. Stanley Whittingham
Ayuda para pilas de hidrógeno
Aleaciones de níquel
Es un paso importante para que las pilas de combustible de hidrógeno
Entrevista con
13
El níquel comercialmente puro
14
Preguntas y respuestas técnicas
15
¿Por qué el níquel?
sean más limpias, rentables y eficientes. Un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) ha desarrollado un catalizador anódico a base de níquel para pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico (AEMFC) con alta resistencia a la toxicidad del amoníaco (NH3). Los catalizadores de platino sobre carbono (Pt/C) han demostrado
15
Detalles UNS
su propensión a la toxicidad por amoníaco, que provoca una degradación
16
Salmon Eye
enriquecimiento de electrones alrededor de los sitios de níquel y el dopaje
Instalación flotante
de cromo en el eficiente catalizador de oxidación de hidrógeno con aleación
del rendimiento. El equipo fue capaz de abordar este problema mediante el
de molibdeno-níquel (MoNi4), debilitando en gran medida la adsorción de La revista Nickel es una publicación del Nickel Institute
amoníaco. Los hallazgos se publicaron en el Journal of the American Chemical Society.
www.nickelinstitute.org Dr. Hudson Bates, Presidente Clare Richardson, Editora
Colaboradores: Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Colin Mackay, Geir Moe, Kim Oakes, Odette Ziezold Diseño: Constructive Communications Este material ha sido preparado para proporcionar información general al lector y no deberá utilizarse ni tomarse como base para aplicaciones específicas sin antes obtener asesoramiento. Aunque se considera que el material es técnicamente correcto, el Nickel Institute, sus miembros, su personal y sus consultores no afirman ni garantizan que sea adecuado para ningún uso general o específico, ni asumen ningún tipo de obligación o responsabilidad respecto a la información aquí contenida. ISSN 0829-8351 Impreso en papel reciclado en Canadá por Hayes Print Group Créditos de imágenes de Stock: Portada: iStock©Just_Super pág. 13. Shutterstock©Lakeview Images
4 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY (2023). DOI: 10.1021/JACS.3C06903
communications@nickelinstitute.org
THE DAILY SCIENCE
Físicos de la Universidad Tecnológica de Viena han descubierto excelentes propiedades termoeléctricas de aleaciones de níquel y oro que pueden utilizarse para convertir eficazmente el calor en energía eléctrica. La combinación única de estos metales, que supera a los semiconductores convencionales, permite una elevada conductividad eléctrica y un importante coeficiente Seebeck. Mezclando el metal magnético níquel con el metal noble oro, consiguieron cambiar radicalmente las propiedades electrónicas. En cuanto desaparece el color amarillento del oro al añadir aproximadamente un 10 % de níquel, el rendimiento termoeléctrico aumenta rápidamente. Debido a las propiedades electrónicas particulares de los átomos de níquel, las cargas positivas se dispersan con más fuerza que las negativas, lo que dio lugar al desequilibrio deseado para crear un alto voltaje termoeléctrico. Fabian Garmroudi, primer autor del estudio, explica: «Con la misma geometría y un gradiente de temperatura fijo, se podría generar muchas veces más energía eléctrica que en cualquier otro material conocido». La alta densidad de potencia puede, en el futuro, permitir aplicaciones cotidianas en el sector a gran escala, lo que abre las puertas a otras aleaciones metálicas prometedoras y rentables para uso termoeléctrico.
UNSPLASH+
Un descubrimiento de oro
Una buena dosis de vitamina C Lo que es bueno para la salud humana ha demostrado ser un ingrediente eficaz para el reciclado de baterías de vehículos eléctricos. Investigadores de la Universidad de Birmingham han desarrollado un método para separar los materiales de mayor valor utilizando ácido ascórbico. Para probar el concepto, se trataron celdas de batería de Nissan Leaf con más de 64 000 km con ácidos orgánicos, tal como el ácido ascórbico (vitamina C), como agentes de lixiviación. Los resultados, publicados en ChemRxiv, demostraron que el ácido ascórbico lixivia selectivamente el material de electrodo de bajo valor (óxido de litio y manganeso) y deja el material de mayor valor a base de níquel y cobalto en estado sólido, a partir del cual puede reciclarse directamente. Su proceso, ahora patentado, consume menos energía y utiliza menos productos químicos peligrosos que los métodos de reciclaje actuales.
Presentación potente En julio de 2023, el Nickel Institute reunió a algunas de las mentes más brillantes del mundo de las baterías para compartir sus ideas y conocimientos sobre los avances en las tecnologías de baterías que contienen níquel. Ocho ponentes expertos, entre ellos el profesor Stanley Whittingham, Premio Nobel de Química, y el Dr. Jeff Dahn, Investigador Principal NSERC/Tesla Canada Alliance Grant de la Universidad Dalhousie, exploraron las tecnologías de las baterías que contienen níquel, debatieron sobre las aplicaciones emergentes y examinaron el papel del reciclaje. El informe resumido del Día de la Batería ya está disponible en el sitio web del Nickel Institute. El próximo Día de la Batería del NI está previsto para el 6 de junio de 2024. www.nickelinstitute.org
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 5
AVIACIÓN ELÉCTRICA: ¿ACERCÁNDOSE A LA VELOCIDAD DE DESPEGUE? En la batalla por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, prácticamente todos los medios de transporte están explorando y desplegando alternativas a los vehículos propulsados por combustibles fósiles. La energía de las baterías desempeña un papel fundamental en este sentido, sobre todo en las aplicaciones para la carretera. Hasta ahora, el sector de la aviación se ha resistido en cierto modo a este cambio. Sin embargo, ya es responsable de cerca del 12 % de las emisiones relacionadas con el transporte. La demanda de transporte aéreo, tanto de pasajeros como de mercancías, ha vuelto a crecer rápidamente tras la pandemia. Sin medidas de mitigación, parece probable que este nivel de emisiones aumente. Por tanto, es comprensible que la aviación esté sometida a una presión cada vez mayor para reducir su impacto ambiental mediante fuentes de energía alternativas. Rediseños radicales necesarios
especialmente difícil dado que, a
Hasta ahora, el sector ha preferido
diferencia del combustible para
explorar el potencial de opciones
aviones, su peso no disminuye a
como la energía de hidrógeno y los
medida que se consume la energía.
combustibles de aviación sostenibles.
No obstante, conviene señalar que se
Hasta cierto punto, esto refleja la
trata en parte de una tergiversación;
inercia existente en el mercado:
la energía eléctrica puede suponer
la industria aeronáutica está bien
una disminución del peso en otros
establecida, los fabricantes de
muchos aspectos de la aviación.
equipos originales producen fuse-
Prueba de concepto
lajes compatibles con los motores a reacción convencionales propulsados por combustible, mientras que los PIPISTREL
fabricantes de motores aeronáuticos fabrican grupos motores compatibles con los fuselajes modernos. El cambio a los grupos motores eléctricos
Entonces, ¿tiene cabida la energía de las baterías en la aviación? Claramente, la respuesta es sí. De hecho, en el ámbito de los aviones ligeros, la energía eléctrica ya es una realidad; el Pipistrel Velis Electro –un avión ligero monomotor
El Pipistrel Velis Electro, la primera certificación mundial de un avión totalmente eléctrico y un hito importante en la apuesta por una aviación sostenible desde el punto de vista medioambiental.
exigiría rediseñar radicalmente los
Por otro lado, se ha considerado que
rendimiento le permiten volar hasta
— Agencia Europea de Seguridad Aérea
las baterías carecen de la densidad
50 minutos (y puede funcionar con
energética suficiente para compensar
una sola batería en caso de avería).
su peso. Este aspecto se considera
Aunque la certificación del primer
6 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
fuselajes de los aviones comerciales, lo que sería costoso y llevaría mucho tiempo.
biplaza– está autorizado para operar en Europa desde 2020. Con un aspecto casi indistinguible de una avioneta convencional, sus dos baterías de alto
vaya a cambiar por sí sola las reglas del juego, representa una importante prueba de concepto. Ha demostrado que los aviones propulsados por baterías pueden funcionar y, de hecho, lo hacen. Esto está sirviendo de estímulo para el desarrollo de nuevos avances. El siguiente paso ideal sería aumentar la densidad energética de las baterías; si se amplía, la autonomía y el rendimiento aumentarán en
Un impulso significativo Casi todas las baterías utilizadas en los aviones eléctricos, tanto las que están en servicio como las que están en fase de desarrollo, utilizan composiciones químicas con alto contenido en níquel para obtener una energía específica elevada. En las baterías de alta energía específica, el níquel suele utilizarse en combinación con cobalto y bien manganeso, «NCM», o aluminio, «NCA». Cuando estos metales se distribuyen por la capa de metales de transición de un cátodo, actúan conjuntamente para mejorar
consecuencia. Es probable que el
el rendimiento. Los fabricantes se
níquel desempeñe un papel cada vez
han dado cuenta de que aumentar el
más importante. En la actualidad, el
nivel de níquel aumenta la capacidad
níquel tiene numerosas aplicaciones
de almacenamiento de una batería
en aeronaves convencionales, sobre todo en turbinas de reactores, con superaleaciones que proporcionan una excepcional resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y estabilidad térmica. En la aviación del futuro, será la capacidad del níquel para aumentar
En el futuro, será la capacidad del níquel para aumentar la densidad energética de las baterías lo que pasará a desempeñar su papel dominante.
sin incrementar significativamente el peso, lo que mejora la densidad energética global. Ahora que se ha demostrado que la energía de las baterías es viable para los aviones, este progreso supondrá un nuevo e importante impulso. La cuestión de la seguridad de las baterías en la aviación es funda-
la densidad energética de las baterías
mental. Los primeros días del 787
lo que pasará a desempeñar su papel
Dreamliner de Boeing, aunque se
dominante.
trata de un avión de propulsión
Especificaciones del Joby JAS4-1 Tipo de aeronave: tiltrotor eVTOL Asientos: piloto + 4 pax Peso máximo al despegue: 2177 kg Longitud: 6,4 metros Envergadura: 11,9 metros Altitud máxima de crucero: 15 000 pies Velocidad máxima de crucero: 170 kt (200 mph) Autonomía: hasta 150 sm (130 nm) Propulsión: seis motores eléctricos, cuatro en las alas y dos en la cola en V. Los motores incluyen inversores dobles redundantes, control variable de la hélice, inclinación y refrigeración de la góndola y bobinados dobles. Potencia/almacenamiento de energía: cuatro baterías de iones de litio. -jobyaviation.com
©JOBY AVIATION
avión verdaderamente eléctrico no
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 7
lo que respecta a los aeropuertos. A pesar de ello, no es probable que desaparezcan en un futuro próximo; las baterías eléctricas aún no son una alternativa. En otros entornos, sin embargo, sí lo son. Los motores eléctricos son más ligeros, silenciosos y fiables, tienen menos piezas móviles y ofrecen una relación potencia-peso relativamente MAEVE AEROSPACE B.V. © 2023
constante, independientemente de su tamaño. Como resultado, se puede optar por más motores en lugar de motores más grandes, con muchas menos limitaciones en cuanto a su ubicación en el fuselaje. Esto significa convencional, estuvieron marcados por los incendios provocados por problemas de desbordamiento térmico en las baterías de litio que utilizaban para la energía de a bordo. Se trata de un problema grave en tierra y mucho mayor en el aire. La industria ha reconocido estos problemas, y las baterías certificadas para uso aeronáutico deben demostrar su resistencia al desbordamiento térmico. En caso de que se produzca un incendio, éste se contiene y no se propaga a otras baterías o a la aeronave. Además, cualquier riesgo potencial debe sopesarse con el riesgo que supone transportar grandes cantidades de
- Maeve Aerospace B.V.
8 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
gue y aterrizaje vertical (eVTOL) se están convirtiendo en una realidad. El funcionamiento silencioso de sus motores abre un abanico de aplicaciones potenciales, como taxis aéreos, servicios de reparto y servicios de emergencia. Además del interés de las empresas existentes, como Airbus y Boeing, muchos nuevos fabricantes están intentando entrar en el mercado. Entre ellos, Maeve (44–50 pasajeros) y Eviation (nueve pasajeros), que pretenden fabricar aviones regionales con una autonomía de 250–330 millas náuticas. Durante su vida útil
combustible de aviación altamente
utilizarán unas 30 y 9 toneladas de
inflamable.
níquel, respectivamente. Además,
Más ligeros, silenciosos y fiables El Maeve 01 es el primer avión eléctrico del mundo con capacidad para más de 44 personas, lo que establece un nuevo estándar para los viajes aéreos sostenibles y ecológicos. Con un tiempo de recarga de solo 35 minutos, el avión eléctrico Maeve permite operaciones de vuelo rápidas y ágiles.
que los aviones eléctricos de despe-
En cuanto al potencial de mercado de las baterías de aviación y el uso del níquel, es importante no ver esta oportunidad únicamente a través
las empresas estadounidenses Joby Aviation y Archer Aviation, así como el fabricante alemán Lilium, están desarrollando taxis aéreos, al igual que Velis, fabricante del Pipistrel.
del prisma de las aplicaciones de
La previsión de todo el potencial de
aviación existentes. Los aviones de
mercado de las baterías depende
pasajeros convencionales tienen
de una serie de variables, princi-
inmensas restricciones de diseño
palmente el número de aviones
impuestas por su dependencia de
y baterías. Sin embargo, con la
(normalmente) dos grupos motores
creciente presión para cumplir los
cada vez más grandes, pesados y
objetivos de emisiones y el aumento
ruidosos, lo que determina en gran
de la demanda de transporte aéreo, es
medida su despliegue, que requiere
probable que las oportunidades para
importantes infraestructuras por
el níquel sean significativas.
LA CARRERA HACIA LAS BATERÍAS DE ESTADO SÓLIDO EN LOS VE
La selección del material de los electrodos influye directamente en la densidad energética de las celdas de las baterías para la automoción. En una batería convencional de iones de litio (LIB), los componentes comunes son el cátodo de óxido metálico de litio, el electrolito líquido orgánico y el material típico del ánodo es el grafito. Sin embargo, en términos de densidad de energía teórica, el material de ánodo más deseado es el litio metálico. El litio metálico tiene la ventaja de ser ligero y poseer el potencial más bajo de todos los elementos, lo que significa que permite almacenar más energía. El litio metálico es muy reactivo y, si se incorporara a un electrolito líquido, se producirían problemas de seguridad extremos. A diferencia de las baterías de iones de litio, las baterías de estado totalmente sólido proporcionan una plataforma para la integración del litio metálico, ya que el electrolito líquido (+ separador) se sustituye por una capa sólida. Esta capa rígida impide las fugas y reduce la formación de estructuras no deseadas. Además, los electrolitos sólidos tienen mayor estabilidad térmica que los líquidos. Esto significa que las SSB pueden ofrecer una gama más amplia de aplicaciones y una mayor seguridad. Las baterías de estado sólido
también tienen la ventaja de eliminar los costosos pasos de producción de las celdas, como el llenado del electrolito. En ambos tipos de baterías, el cátodo está formado por material activo catódico más un agente conductor (por ejemplo, aditivo de carbono) y posiblemente un aglutinante (a base de polímeros). Por lo tanto, en una SSB, la incorporación de un ánodo metálico de Li en combinación con un cátodo rico en Ni ofrece una gran capacidad práctica. Los cátodos ricos en Ni de alta capacidad complementan las baterías de estado sólido. Además, una mayor seguridad significa que se pueden implementar cátodos ultra ricos en Ni para proporcionar una batería con una densidad energética muy alta. Aunque las baterías de estado sólido despiertan entusiasmo y ofrecen muchas ventajas, todavía hay que superar algunos retos técnicos. Los vehículos eléctricos basados en SSB aún tienen un largo camino por recorrer antes de que el mercado los adopte de forma generalizada, hay mucho en juego. Las baterías de estado sólido ricas en níquel pueden eliminar la preocupación por la autonomía y facilitar la transición a los vehículos eléctricos.
Varias empresas se apresuran a colocar una batería de estado sólido práctica en los vehículos eléctricos y han hecho anuncios atrevidos. Varios fabricantes de automóviles, entre ellos Toyota, NIO, General Motors (GM), Nissan, Ford y BMW, aspiran a fabricar vehículos con baterías de estado sólido y se están asociando con fabricantes de baterías.
KIYOSHI OTA/BLOOMBERG© 2023 BLOOMBERG FINANCE LP
Las baterías de estado sólido (SSB, por sus siglas en inglés) que tienen cátodos ricos en níquel han captado una enorme atención en los últimos años y este interés sigue creciendo. La diferencia más significativa entre las baterías de iones de litio convencionales y las baterías de estado totalmente sólido es el paso de un electrolito líquido a uno sólido. La seguridad es el principal argumento de venta de las baterías de estado sólido, que emplean electrolitos sólidos en lugar de líquidos orgánicos inflamables. Además, una batería de estado sólido ofrece mayor densidad energética al permitir un ánodo de metal de litio, cuya energía específica es diez veces superior a la del grafito utilizado en las baterías de iones de litio.
Un prototipo de las próximas baterías para vehículos eléctricos de Toyota Motor Corp., presentado en un acto mediático previo al Salón de la Movilidad de Japón en octubre de 2023.
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 9
CHARLA SOBRE BATERÍAS: UNA ENTREVISTA CON EL DR. STANLEY WHITTINGHAM El Dr. Stanley Whittingham es un distinguido profesor de química de SUNY y Premio Nobel de Química en 2019 por su investigación pionera que condujo al desarrollo de las baterías de iones de litio. La Dra. Parvin Adeli, especialista en baterías del Nickel Institute, se reunió con él para hablar de su larga carrera en la investigación sobre
SEBASTIAN GOLLNOW, AP IMAGES
baterías y de lo que está por venir. P: Háblenos de su trayectoria en la
albergar –intercalar– iones de litio.
investigación sobre baterías. ¿Qué le
Exxon fabricaba células pequeñas
hizo embarcarse en la carrera de las
para algunas aplicaciones. El precio
baterías y seguir adelante?
bajó y Exxon perdió interés y conce-
En los años setenta, el interés se centraba en los vehículos eléctricos, los aparatos electrónicos y el almacenamiento de reserva para aplicaciones como la telefonía, pero no en el almacenamiento en grandes redes. En esa época, yo trabajaba para Exxon, y tenían interés en ser una empresa de energía, no de petróEl Dr. Stanley Whittingham es Premio Nobel de Química, cuenta con más de 200 publicaciones en las principales revistas académicas y tiene 16 patentes. Se ha ganado una reputación nacional e internacional como científico prolífico.
leo. Querían explorar los vehículos eléctricos y continuar con los de combustión interna.
dió la licencia a Sony. Sony desarrolló entonces la batería recargable de iones de litio para todos los aparatos electrónicos. Ahora mismo, la mayoría de los sistemas tienen un 80 % de níquel, un 10 % de manganeso y un 10% de cobalto. P: ¿Cree que el Premio Nobel llegó con retraso? La gente lo ha comentado. John Goodenough fue la persona de más edad en recibir un Premio Nobel. Nos
P: ¿Cuándo se dio cuenta de la impor-
alegramos de que viviera lo suficiente
tancia que tenía para el panorama
para aceptarlo.
energético su descubrimiento de la intercalación (alojamiento) de iones de
P: ¿Cuáles fueron los principales retos
litio en un material huésped?
a los que se enfrentaron durante el
Desde el principio. Porque nuestro primer trabajo se publicó en Science y no es algo fácil de conseguir. El mate-
10 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
proceso de desarrollo de la batería de iones de litio? El mayor reto fue que todos los
rial concreto en el que trabajamos
inventos los creamos nosotros. Toda
fue el disulfuro de titanio que, a nivel
la propiedad intelectual de las bate-
molecular, tiene espacios que pueden
rías es estadounidense o británica,
porque europeos y estadounidenses no quisieron invertir el dinero en aprender a fabricar. El gran problema al que nos enfrentamos ahora es que en Estados Unidos no tenemos cadena de suministro de materiales, personal cualificado o instalaciones de fabricación. Acabamos de recibir 113 millones de dólares del gobierno federal del estado de Nueva York para construir una planta de prototipos en un antiguo edificio de IBM y 12 millones para formar a la mano de obra. Eso es lo que falta en Norteamérica. P: Actualmente trabaja en el impacto del recubrimiento/sustitución de Nb en materiales catódicos ricos en Ni. ¿Cómo afecta la modificación con Nb al rendimiento general de la batería?
P: ¿Cuáles son los próximos pasos de esta investigación? El siguiente paso es estudiar el comportamiento a diferentes temperaturas y ver si podemos llegar a los 800-1000 ciclos. Esto implica construir celdas más grandes para los vehículos eléctricos. La densidad energética teórica posible para los cátodos de alto contenido en níquel debería ser de 1000 Wh/kg. En realidad, la celda está a 250 Wh/kg, por lo que obtenemos únicamente un 25 %. El objetivo es llegar a los 500 Wh/kg para duplicar la densidad energética. También estamos realizando una investigación financiada por el ejército estadounidense para comprobar el comportamiento del NMC recubierto de Nb a temperaturas más altas y más bajas.
Sabemos que el níquel al 60 % es
P: ¿Dispone Binghamton de la infraes-
estable en el aire y funciona bien. Sin
tructura necesaria para lograrlo?
embargo, una vez que el contenido de níquel alcanza el 80 %, la estabilidad en el aire se ve comprometida. Esto significa que tenemos que controlar más la atmósfera, ya que la reactividad con el electrolito de la batería aumenta, por lo que perdemos capacidad con bastante rapidez. Empezamos a estabilizar el 80 % de níquel añadiendo elementos de valencia. Hemos descubierto que el niobio funciona mejor. Conseguimos varios cientos de ciclos con un 90 % de Ni (NMC 9055) con aproximadamente un 1 % de Nb. No se necesita más que eso. Parece que el Nb detiene el agrietamiento de esas partículas del cátodo, y no hay pérdida de capa-
Disponemos de una de las pocas salas secas e instalaciones de fabricación EVIATION
pero luego todo se trasladó a Asia
de celdas tipo bolsa de EE. UU. dentro de una universidad. Trabajo en Battery 500, un gran consorcio de laboratorios nacionales e instituciones académicas, por lo que colaboramos estrechamente con ellos. Vamos a ampliar. P: Hemos hablado de los cátodos, pero sabemos que los electrolitos también son importantes. ¿Puede hablarnos de sus recientes estudios sobre el impacto de distintos electrolitos en cátodos ricos en níquel?
Eviation, una empresa con sede al norte de Seattle, está diseñando un avión de despegue estándar, no un VTOL.
Una de las cosas que estamos
cidad a lo largo de varios cientos de
haciendo en Battery 500 es deshacer-
ciclos. Los resultados se publicaron
nos del ánodo de grafito, por lo que
en nuestro artículo de acceso abierto
estamos utilizando litio metálico
de 2022: Caracterización electroquímica
puro. El litio metálico puro no se
y evolución de la microestructura de
separa bien del electrolito de carbo-
materiales catódicos estratificados ricos
nato que se utiliza actualmente en
en Ni por recubrimiento/sustitución de
el ion de litio. Hemos desarrollado
niobio.
un nuevo electrolito basado en el
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 11
antiguo electrolito Exxon. El nuevo electrolito es éter orgánico, con una nueva sal LiFSI incluida. El éter de deposición de litio es mucho mejor que el carbonato. Hemos estudiado la estabilidad de esos sistemas.
La mayoría de las baterías comer-
¿Reaccionan con litio o alto contenido
ciales de la última década han sido
UNIVERSIDAD DE BINGHAMTON
de níquel? Así que nos embarcamos en un estudio de estabilidad térmica. Ahora mismo, nuestros principales objetivos en Battery 500 son estudiar la estabilidad de todo el sistema, comprender las reacciones secundarias que no deseamos y cómo eliminarlas. El estudio de estabilidad empezó hace quizá un año y publicamos el primer artículo en 2023: Enabling Long Cycling with Excellent Structure Stability for High-Nickel Layered Cathodes in Lithium Metal Batteries. El objetivo es conseguir un contenido más alto de Ni. La pregunta es: ¿cuánto es demasiado?
P: Dos empresas estadounidenses de reciente creación trabajan en la ampliación de materiales para cátodos con alto contenido de níquel (Ni>90 %). ¿Cuál es su opinión?
P: ¿Cuál es la vía de comercialización de los materiales NMC dopados con Nb?
de ⅓ Ni, ⅓ Co, ⅓ Mn y luego se pasó al 60 % de Ni. Luego tenemos a Tesla utilizando NCA de alto contenido en níquel en los VE. Antes el 85 % Ni y ahora va a pasar a 90 % Ni. Hoy en día hablamos de NMCA [óxido de níquel-manganeso-cobalto-aluminio]. El objetivo es conseguir un contenido más alto de Ni. La pregunta es: ¿cuánto es demasiado? P: ¿Cuál es su perspectiva sobre las diversas aplicaciones que las baterías de níquel aportan a un futuro sostenible más allá de los vehículos eléctricos? Más allá de los vehículos eléctricos, baterías para drones. El siguiente paso lógico es la búsqueda, el
Mi sospecha es que la gente ya lo está
rescate y el traslado de personas en
mirando y aún no nos lo han dicho.
situaciones de emergencia. También
Cuando quieran comercializarlo,
aplicaciones de tipo aeroespacial.
vendrán a hablar con nosotros sobre
Eviation, una empresa con sede al
la concesión de licencias. Todos
norte de Seattle, está diseñando un
los detalles están en la publicación
avión de despegue estándar, en lugar
mencionada anteriormente.
de un VTOL.
Stanley Whittingham es licenciado y doctor en Química por la Universidad de Oxford, donde es miembro honorario del New College. Lleva trabajando en el campo de las baterías de litio desde 1971, cuando ganó el Premio al Autor Joven de la Sociedad Electroquímica por su trabajo sobre la beta-alúmina. En 1972, se incorporó a Exxon y descubrió el papel de la intercalación en las reacciones de las baterías, lo que dio lugar a las primeras baterías comerciales recargables de litio construidas por Exxon Enterprises. Tras 16 años en Exxon, regresó al mundo académico en 1988. En la Universidad de Binghamton (SUNY) ha iniciado un programa de química de materiales. Premio Nobel de Química, con más de 200 publicaciones en las principales revistas académicas y 16 patentes, Whittingham se ha ganado una reputación nacional e internacional como científico prolífico.
12 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
EL NÍQUEL COMERCIALMENTE PURO Si bien el elemento níquel es la base de una gran variedad de aleaciones que lo contienen, ¿qué ocurre con el níquel por sí solo? ¿Qué sabemos del níquel comercialmente puro (C.P.)? El níquel comercialmente puro
en muchas aplicaciones en la produc-
(99,0 % mín.) está disponible en dos
ción de sosa cáustica, en evaporado-
calidades: níquel 200 (UNS N02200)
res y cristalizadores de sosa cáustica,
y níquel 201 (N02201). El níquel 201
tubos en U en intercambiadores de
tiene un menor contenido de carbono
calor y separadores de sal.
que se especifica cuando se trabaja por encima de 315 °C (600 °F) para evitar la fragilización por formación de grafito.
La sosa cáustica se utiliza en muchas industrias importantes, como la extracción de alúmina de la bauxita para producir aluminio, la fabrica-
El níquel C.P. tiene una resistencia
ción de papel a partir de la madera, la
a la corrosión que resulta útil en
transformación de grasas en jabón y
varias aplicaciones de procesa-
la fabricación de tejidos artificiales
miento químico. Una característica
como el rayón.
destacada es su resistencia a la sosa cáustica (hidróxido de sodio) y otros álcalis. En sosa cáustica, el níquel C.P. presenta una excelente resistencia a todas las concentraciones, incluso hasta el estado fundido. Por debajo del 50 % de concentración, los índices de corrosión son insignificantes, incluso en soluciones en ebullición.
Además, el níquel C.P. tiene una excelente resistencia al gas cloro seco a alta temperatura. El límite superior
El níquel C.P. es uno de los mejores metales para resistir la corrosión cáustica y, al mismo tiempo, evitar una contaminación metálica inaceptable.
del níquel 201 es de unos 540 °C (1000 °F). El níquel C.P. se utiliza para reactores, serpentines, agitadores y tuberías en el rango de 250-500 °C (480-930 °F) en la producción de cloro.
El níquel C.P. es uno de los mejores
Mientras que el elemento níquel es
metales para resistir la corrosión
la base de una amplia variedad de
cáustica y, al mismo tiempo, evitar
aleaciones que contienen níquel, el
una contaminación metálica
níquel C.P. es también un importante
inaceptable. El níquel C.P. se utiliza
material industrial.
Resistencia, mín., MPa (ksi) (recocido) Grado
UNS
%Ni
%C
Rendimiento
Tracción
Níquel 200
N02200
99,0 mín.
0,15 máx.
100 (15)
380 (55)
Níquel 201
N02201
99,0 mín.
0,02 máx.
80 (12)
345 (50)
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 13
PREGÚNTELE A UN EXPERTO PREGUNTAS MÁS FRECUENTES DE LA LÍNEA DE ASESORAMIENTO TÉCNICO DEL NICKEL INSTITUTE
NICKEL
EN LÍNEA
El ingeniero Geir Moe es el coordinador del Servicio de Consultas Técnicas del Nickel Institute. Junto con otros especialistas en materiales de todo el mundo, Geir ayuda a los usuarios finales y a los especificadores de materiales que contienen níquel que buscan asistencia técnica. El equipo está disponible para brindar asesoramiento técnico gratuito sobre una amplia gama de aplicaciones como el acero inoxidable, las aleaciones de níquel y el niquelado para permitir el uso del níquel con confi anza. https://inquiries.nickelinstitute.org/
WWW.NICKELINSTITUTE.ORG
SUSCRÍBASE gratis a la revista Nickel. Recibirá un ejemplar impreso o un aviso por correo electrónico cada vez que se publique un nuevo número. www.nickelinstitute.org
P R
P: Un cliente solicita tubos 316L con mayor contenido de azufre (0,005-0,017 %) para una aplicación farmacéutica. Después de soldar hay escoria en la soldadura. Mi pregunta es: ¿por qué es necesario un mayor contenido de azufre?; ¿qué medidas se pueden tomar para evitar la formación de escoria durante la soldadura?
R: El azufre es un elemento complicado en los aceros inoxidables que contienen níquel. En la mayoría de los casos es indeseable. El azufre favorece el agrietamiento central en soldaduras austeníticas. Las inclusiones de sulfuro son lugares potenciales de corrosión por picadura por cloruro y pueden producir imperfecciones superficiales antiestéticas indeseables, especialmente si el acero inoxidable se va a pulir. Por ello, las fábricas de acero inoxidable se han esforzado por reducir al máximo los niveles de azufre, hasta el 0,001 % o menos. Sin embargo, el azufre es un agente tensioactivo y tiene una gran influencia en el flujo del baño de soldadura. El intervalo de azufre de 0,005–0,017 % es un requisito de la norma sobre equipos de bioprocesamiento de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos para garantizar una
La escoria consiste principalmente en sulfuros que flotan en la superficie del baño de soldadura y, por lo tanto, se acumulan en la superficie del baño de soldadura que avanza. La escoria se debe al mayor contenido de azufre y la cantidad de escoria presente al final de la soldadura aumentará a medida que aumente el diámetro del tubo. La escoria no puede evitarse, pero puede eliminarse fácilmente.
Penetración de la soldadura
LEA la revista digital Nickel en varios idiomas. www.nickelinstitute.org/library/ CONSULTE LOS NÚMEROS ANTERIORES de la revista Nickel, desde julio de 2009, en nuestra hemeroteca digital. www.nickelinstitute.org/library/
penetración óptima de la soldadura, en particular para las soldaduras orbitales por arco de tungsteno con gas, que es el método de soldadura preferido utilizado por la industria farmacéutica. El azufre promueve un flujo de masa convergente que, a su vez, promueve el flujo de calor hacia el centro de la soldadura en la superficie, que luego se desvía hacia abajo en el centro de la soldadura para facilitar una penetración más profunda de la soldadura.
Metal fundido
Metal base
SÍGANOS en X @NickelInstitute CONÉCTESE en LinkedIn: visite la página del Nickel Institute VEA videos sobre el níquel en el canal del Nickel Institute en YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute
14 | NICKEL, VOL. 38, N.º 3, 2023
Con azufre bajo penetración poco profunda
Con azufre más elevado penetración más profunda
El níquel puede encontrarse en muchas formas, desde nanocables hasta aleaciones de acero inoxidable. Pero, ¿cuáles son las propiedades del níquel que lo convierten en un elemento esencial en los objetos cotidianos?
¿Por qué el níquel? EL NÍQUEL EN SUS BATERÍAS
La batería
Una batería convierte la energía química en energía eléctrica. Proporciona energía a dispositivos como teléfonos inteligentes, herramientas eléctricas portátiles y automóviles. Las baterías se presentan en diferentes composiciones químicas, formas y tamaños, en función del tamaño y las necesidades de energía del dispositivo que alimentan. Consisten en una o varias celdas electroquímicas, compuestas por dos electrodos –un ánodo y un cátodo– y un electrolito. Cuando los dos electrodos están unidos por una vía eléctrica, los electrones fluyen desde el ánodo y suministran energía a un dispositivo externo.
¿Por qué el níquel?
El ion-litio es el tipo de batería más común, pero existen muchas fórmulas diferentes. NMC es el cátodo más popular, que significa óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto.
Durante la descarga, los iones de litio (Li+) migran del ánodo al cátodo a través del electrolito. El cátodo de NMC sirve de anfitrión para estos iones de litio. Además, en el cátodo, los iones de níquel, manganeso y cobalto se reducen aceptando los electrones que pasan por la vía eléctrica. Esta reacción puede invertirse, haciendo que la batería sea recargable.
Ánodo (-)
Electrolito Separador Cátodo (+)
Grafito Iones de litio
Electrón
El secreto del NMC reside en la combinación de níquel y manganeso. El níquel es conocido por su alta energía específica pero su escasa estabilidad; el manganeso tiene una baja energía específica, pero proporciona estabilidad. La combinación de estos metales potencia los puntos fuertes de cada uno.
Óxidos de litio metálico
DETALLES UNS
Composición química (en porcentaje del peso) de las aleaciones y los aceros inoxidables mencionados en este número de la revista Nickel.
UNS
C
Cr
Cu
Fe
Mn
Mo
N
Ni
P
S
Si
S31254 pág. 16
0,020 máx.
19,520,5
0,501,00
bal.
1,00 máx.
6,06,5
0,180,22
17,518,5
0,030 máx.
0,010 máx.
0,80 máx.
S32750 pág. 2
0,030 máx.
24,026,0
-
bal.
1,20 máx.
3,05,0
0,240,32
6,08,0
0,035 máx.
0,020 máx.
0,80 máx.
NICKEL, VOL. 38, N.º 3 2023 | 15
Se trata de un proyecto único, con 9275 elementos de revestimiento de acero inoxidable resistentes al agua de mar, fabricados para soportar una exposición prolongada a la misma. Llamado Salmon Eye (Ojo de salmón), este pabellón fl otante de acuicultura de cuatro plantas y 23 m de altura se inauguró en el Hardangerfjord noruego en septiembre de 2022. El Salmon Eye no es sólo una espectacular instalación artística, sino también un centro de visitantes y aprendizaje de categoría mundial, y la sede de un restaurante de alta cocina, Iris.
@SALMONEYE
SEBASTIAN L. TORJUSEN
SALMON EYE IDEAS PARA REFLEXIONAR
El acero inoxidable con níquel utilizado para la fachada es 6 % Mo (UNS S31254). • Una experiencia flotante única • 2 transbordadores eléctricos transportan a los visitantes hasta el pabellón. • 13 anclajes • 26 m de diámetro • Vista de 330° desde el techo
16 NICKEL, | NICKEL,VOL. VOL.38,38,N.ºN.º3,3,2023 2023
Con un nivel bajo el agua, el armazón de la estructura es de vigas en H dobladas y revestidas con planchas de acero. Las placas rectangulares con esquinas cortadas se fijan al cuerpo curvo del edificio. Pequeños elementos de acero inoxidable, diseñados para parecerse a escamas plateadas de pescado, reflejan la naturaleza circundante en la superficie exterior del pabellón. Esta compleja forma elíptica flota en la superficie de la bahía de 100 metros de profundidad, lo que plantea requisitos especiales para las estructuras portantes y envolventes. Amarrado con grandes anclas al
fondo del fiordo, pesa 1000 toneladas y está construido para resistir olas de hasta 5 m de altura. Los tanques de lastre se colocan en la planta baja para mantener estable la estructura flotante . Este impresionante ejemplo de arquitectura sostenible fue diseñado por la empresa danesa Kvorning Design para la piscifactoría noruega de salmón y trucha Eide Fjordbruk. El proyecto se encargó para inspirar e informar sobre cómo podemos proporcionar al mundo alimentos sostenibles procedentes del mar. Eso sí que da para reflexionar.