El átomo de litio es uno de los átomos más ligeros de la tabla periódica. Sus propiedades lo hacen propicio para generar energía en combinación con otros elementos. Esta combinación de peso ligero y gran potencial energético es la clave de su rol protagonista en la química de la mayoría de las baterías del siglo XXI.
Ahora considere los vehículos eléctricos actuales, impulsados por células de iones de litio que se han mejorado, de forma incremental, durante décadas. Pero las baterías de iones de litio de cualquier vehículo eléctrico siguen siendo la parte más pesada del coche. Todo ese peso extra limita el potencial de rendimiento del vehículo. Por el contrario, la promesa de baterías de oxígeno de litio, en papel, no es progresiva. Es un salto en cuánta energía podría producir una batería frente a cuánto pesa. En teoría, se podría utilizar oxígeno de litio para una batería más ligera que puede ir mucho más lejos con una sola carga.
Mayor densidad energética
Las baterías de iones de litio de hoy en día tienen 3 veces la densidad de energía específica de las células de plomo-ácido anteriores
Densidad energética multiplicada
Las baterías de litio-oxígeno más ligeras tienen potencialmente de 5 a 15 veces la densidad de energía específica de las celdas de iones de litio actuales.
Para la industria química, convertir esa teoría en un producto comercializable podría crear un próspero centro de ganancias en las próximas décadas, con aplicaciones para todo, desde dispositivos móviles hasta automóviles y nuevas formas de transporte inimaginables. Esa es una de las razones por las que Jamie Garcia, Gerente Senior de Algoritmos Cuánticos, Aplicaciones y Teoría de IBM y su equipo de químicos cuánticos han pasado mucho tiempo en videoconferencias con colegas de investigación en Mitsubishi Chemical en Japón.
El equipo de IBM Quantum fue contactado por Qi Gao en Mitsubishi Chemical y el profesor Naoki Yamamoto en la Universidad de Keio para modelar y estudiar el complejo mecanismo para la reorganización de superóxido de litio, un paso químico clave en las baterías de litio. Su colaboración establece las bases para simular y, finalmente, investigar un problema conectado a una aplicación real en un ordenador cuántico.
Esta es una tarea que es imposible de realizar de manera eficiente incluso en los superordenadores más potentes de la actualidad. Para el equipo de investigación y desarrollo de Mitsubishi Chemical, modelar una reacción electroquímica tan compleja en una computadora clásica ha demostrado ser increíblemente difícil. Al colaborar con los equipos de IBM e IBM Q Hub en la Universidad Keio, Mitsubishi Chemical está explorando cómo utilizar ordenadores cuánticos para crear simulaciones precisas de lo que sucede dentro de una reacción química a nivel molecular.
La mayoría de los químicos que han hecho trabajo de laboratorio tradicional entienden que se pueden dedicar horas, meses e incluso años a intentar comprender cómo se está produciendo la química dentro del matraz y poder controlarla. La computación cuántica promete acelerar todo eso.
Mitsubishi Chemical ve el valor en esa promesa. Líder mundial en la síntesis de materiales innovadores, presta servicios a docenas de industrias (automotriz, aeroespacial, médica, de producción de energía, infraestructura de transporte, edificación y construcción) que necesitan herramientas mucho mejores para resolver desafíos apremiantes.
Atender las diversas necesidades de muchas industrias significa que Mitsubishi Chemical, por definición, realiza una amplia labor de investigación y desarrollo. Al igual que muchos otros miembros de IBM Quantum Network, tiene presupuestos dedicados a la simulación molecular e invierte en formas en que la computación cuántica puede ayudar. A nivel empresarial, eso puede conducir a colaboraciones transcontinentales, en este caso, entre equipos de investigación interdisciplinarios en Mitsubishi Chemical, la Universidad de Keio en Tokio e IBM.
"Si nos fijamos en los mayores problemas sin resolver del mundo, son desafíos que han existido durante décadas", afirma Jamie Garcia, Gerente Sénior de Algoritmos, Aplicaciones y Teoría Cuántica de IBM. "Esto se debe a que hemos estado trabajando con las mismas herramientas, pero estamos llegando a un punto muerto con lo que realmente podemos lograr. La promesa de la computación cuántica aporta algo nuevo. Al final del día, eso es lo que va a transformar las industrias, a alterar las industrias. Una nueva herramienta”.
El triunvirato de investigación de Mitsubishi Chemical, la Universidad de Keio e IBM Quantum está trabajando para comprender mejor el potencial del litio-oxígeno como fuente de energía mediante el uso de nuevos algoritmos que aprovechan la computación cuántica.
La ejecución de una nueva generación de algoritmos, dentro del entorno de hardware y software completamente nuevos de quantum, ya ha producido resultados computacionales cuantitativamente correctos de una reacción química complicada en el proceso de descarga de la batería de litio-oxígeno. Además, al observar los fundamentos moleculares a través de una nueva lente, los investigadores también están tratando de extraer nuevos conocimientos y observar fenómenos que generalmente no se aceptan como conocidos o esperados.
"Al explorar partes específicas de estas reacciones con computadoras cuánticas, en tan más detalle y profundidad, se obtienen estos pequeños momentos de revelación", dice Jamie Garcia de IBM. "Hay muchas razones por las que el uso de estos sistemas cuánticos para la química tiene mucho sentido. Siempre hay algo nuevo que encontrar y una siguiente pregunta que responder”.
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Producido en los Estados Unidos de América, marzo de 2020.
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