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 para su papel protagonista en la mayoría de la química de baterías del siglo XXI.
Ahora considere los vehículos eléctricos actuales, propulsados por celdas de iones de litio que se han mejorado, de manera incremental, durante décadas. Pero las baterías de iones de litio de cualquier vehículo eléctrico siguen siendo la parte más pesada del auto. 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 incremental. Es un salto en la cantidad de energía que podría producir una batería en comparación con la cantidad que pesa. En teoría, el oxígeno de litio podría usarse para una batería más ligera que puede ir mucho más lejos con una sola carga.
Mayor densidad energética
Las baterías de iones de litio actuales tienen 3 veces la densidad energética específica de las células de plomo-ácido anteriores
Densidad de energía multiplicada
Las baterías de litio-oxígeno de peso más ligero 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 sénior de Algoritmos Cuánticos, Aplicaciones y Teoría en IBM y su equipo de químicos cuánticos han pasado mucho tiempo en videoconferencias con colegas de investigación de 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 representar y estudiar el complejo mecanismo para el reordenamiento del superóxido de litio, un paso químico clave en las baterías de litio-oxígeno. Su colaboración sienta las bases para la simulación y eventualmente, la investigación de un problema conectado a una aplicación del mundo real en una computadora cuántica.
Esta es una tarea imposible de hacer de manera eficiente incluso en las supercomputadoras más poderosas de la actualidad. Para el equipo de investigación y desarrollo de Mitsubishi Chemical, representar 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 de Keio, Mitsubishi Chemical está explorando cómo usar computadoras cuánticas para crear simulaciones precisas de lo que está sucediendo dentro de una reacción química a nivel molecular.
La mayoría de los químicos que han hecho un trabajo de referencia tradicional entienden que horas, meses e incluso años se pueden dedicar a tratar de entender cómo está ocurriendo la química dentro del matraz y a poder controlarla. La computación cuántica promete acelerar todo eso.
Mitsubishi Chemical ve el valor de esa promesa. Líder mundial en sintetización de materiales innovadores, ofrece docenas de herramientas industriales, aeroespaciales, médicas, de producción energética, infraestructura de transporte, edificación y construcción que necesitan muchas mejores herramientas 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 y está invirtiendo en formas 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 observamos los problemas más grandes sin resolver del mundo, son desafíos que han existido durante décadas”, dice Jamie Garcia, gerente sénior de algoritmos cuánticos, aplicaciones y teoría en IBM. “Eso es porque hemos estado trabajando con la misma herramienta, pero estamos llegando a una meseta en lo que realmente podemos lograr. La promesa de la computación cuántica trae algo nuevo a la mesa. Al final del día, eso es lo que va a transformar las industrias, a alterarlas. 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 cuántica, ya ha arrojado 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 intentando extraer nuevos insights y observar fenómenos que generalmente no se aceptan como conocidos o esperados.
“Al explorar partes específicas de estas reacciones con computadoras cuánticas, con tanto detalle y profundidad, obtienes estos breves momentos de revelación”, dice Jamie Garcia de IBM. “Hay muchas razones por las que usar 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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