Hacer que las baterías funcionen mejor

He aquí un problema común del mundo moderno. Su teléfono móvil o portátil le dice que le queda un 10 % de carga y luego se apaga repentinamente cuando abre una aplicación que consume muchos recursos. Pero después de esperar unos minutos, milagrosamente eres capaz de volver a encenderlo.

Esto es señal de que el sistema de gestión de la batería de su dispositivo no está haciendo su trabajo correctamente. Puede ser un asunto agotador. Pero las consecuencias de una gestión incorrecta de la batería van mucho más allá de los inconvenientes cotidianos para los usuarios de ordenadores portátiles y móviles. También puede conducir a accidentes industriales a gran escala y a ineficacias que cuestan al mundo miles de millones de dólares cada año.

Aún más importante, la inexactitud de los sistemas de gestión de baterías ha estado frenando la adopción del almacenamiento en red y la transición del mundo de los vehículos a gas a los eléctricos.

La carrera para mejorar el rendimiento de la batería tiene enormes implicaciones para la salud del planeta.

Por eso Ajay Raghavan, experto en el campo de sensores y estructuras inteligentes, sintió una gran emoción en 2012 cuando se le ocurrió la idea de insertar sensores de fibra óptica en las baterías para mejorar sus sistemas de gestión. Cuanto más pensaba Ajay en la idea, más se emocionaba. Resultó ser el primer paso de un largo y difícil viaje de innovación.

Esta es una historia sobre el ingenio de un científico y su equipo. Pero también es una historia sobre el valor, la fe y la perseverancia necesarios para aprovechar los momentos de ingenio y convertirlos en innovaciones que cambiarán el mundo.

Ajay, ¿cómo llegó a interesarse por la ingeniería?

Bueno, se podría decir que es cosa de familia. Mi padre es ingeniero. Trabajó en Air India prácticamente toda su vida. Tengo unos cuantos tíos y otros parientes que también son ingenieros. Eso sembró las primeras semillas de interés. Luego, en secundaria, sentí un gran interés por las ciencias y las matemáticas en general. Tenía mucha curiosidad por saber cómo funcionan las cosas, cómo desmontarlas, cómo arreglarlas de nuevo. También me interesaba la parte creativa de diseñar cosas y hacerlas tan eficientes y atractivas como fuese posible.

Mi licenciatura fue en ingeniería mecánica en Indian Institute of Technology Bombay. Fue un gran impulso para formarme como ingeniero. Es una de las mejores escuelas de ingeniería del mundo.

¿En qué momento se interesó por los sensores?

Recuerdo que asistí a un seminario de un profesor de ingeniería civil que nos habló sobre la idea de integrar sensores en los puentes para que los operadores de los puentes fueran conscientes de su estado y condiciones en un momento dado. En lugar de tener personal de mantenimiento que vaya a revisar el puente, digamos, cada seis meses. Habló sobre cómo esto es aplicable a una amplia gama de estructuras, como aviones y naves espaciales. Los sensores supervisan continuamente, los algoritmos pueden procesar esos complejos flujos de estado para hacerse una idea de cómo está la estructura en un momento dado.

Esta fue mi introducción a la idea de estructuras y sistemas inteligentes. Realmente me impresionó y decidí aprender más.

¿Cómo terminó trabajando en Xerox?

Después de mi licenciatura, fui a University of Michigan, Ann Arbor, donde hice un proyecto de investigación de doctorado de cinco años financiado por la NASA sobre cómo se aplicarían estas ideas a las estructuras aeronáuticas y aeroespaciales en general. Pero en la industria aeroespacial el plazo típico para la adopción de nuevas tecnologías es de 15 a 30 años. Eso, para mí, no era suficientemente satisfactorio. Quería ver la rápida producción y despliegue de las tecnologías en las que había trabajado. Luego me llegó la oportunidad de investigación en PARC.

Durante mi entrevista, hice un breve recorrido por el laboratorio con un científico principal, Dr. Peter Kiesel, que estaba trabajando en algunas ideas iniciales interesantes sobre la detección óptica compacta y de bajo coste. Había leído sobre la detección óptica como una opción para sistemas y estructuras inteligentes. Así que de inmediato vi un potencial muy interesante para un gran proyecto.

¿Qué tipo de tecnologías tiene pensadas?

Bueno, formé equipo con el Dr. Kiesel y exploré algunas posibles aplicaciones para tecnologías de sensores ópticos de bajo coste. Hubo algunas propuestas fallidas a lo largo del camino. Entonces descubrimos que ARPA-E [Advanced Research Projects Agency-Energy es una agencia del Departamento de Energía que financia proyectos de alto riesgo con altas recompensas] estaba interesada en las posibilidades de evaluación del estado de los sistemas de gestión de baterías en vehículos eléctricos, almacenamiento en red y otras aplicaciones avanzadas.

Ya había pensado de paso en la posibilidad de colocar sensores en las celdas de las baterías, pero en ese momento empecé a considerarlo seriamente. Así que dejé caer esta ligera insinuación de que tal vez sería una buena idea incrustar un sensor en el interior.

¿Puede explicarnos qué es un sistema de gestión de baterías?

Un sistema de gestión de baterías supervisa la salud y el estado de estas utilizando parámetros como voltaje, corriente y temperatura. Cuanto mejor sea el sistema de gestión de baterías, proteger las baterías, ayudarles a suministrar toda su potencia y prolongar su vida útil. Cuando los sistemas de gestión de baterías no hacen su trabajo, las consecuencias pueden ser bastante catastróficas en ciertos casos. Están los problemas de baterías del Boeing 787 que recientemente le han costado a la industria de la aviación más de mil millones de dólares. Luego están todos los incendios de vehículos eléctricos y los incidentes de seguridad. También ha habido algunos incendios en las instalaciones de las baterías de almacenamiento de la red. Hay literalmente miles de millones de dólares que se gastan cada año tratando de mejorar la tecnología de las baterías. Se trata de un ámbito muy importante de la investigación energética.

¿Qué impide que los sistemas de gestión de baterías hagan su trabajo?

Bueno, el voltaje, la corriente y la temperatura son todos parámetros eléctricos que son supervisados desde fuera de las celdas, lo que realmente no dice lo suficiente sobre el estado y la salud de las baterías en un momento dado. Por eso, la gente tiende a ser muy conservadora en el diseño de los paquetes. Y tienden a ser muy cuidadosos con la forma en que utilizan los paquetes, rara vez se utiliza la capacidad total de la batería.

Por lo tanto, es un problema que los ordenadores portátiles y móviles se apaguen cuando se abre una aplicación que consume muchos recursos. Pero se ve una versión mucho más grande de este problema cuando se trata de vehículos eléctricos o del almacenamiento en la red porque las cargas y las restricciones son mucho más agresivas.

Todos en el sector de las baterías creen que debería haber una manera mejor de gestionar las baterías. Pero nadie sabía muy bien cómo hacerlo, porque todos estaban tan metidos en esa mentalidad convencional de: ‘Solo tenemos estos tres parámetros que se pueden supervisar fuera de las celdas’. Nuestra meta en 2012 era desafiar esa sabiduría convencional. Vi una gran oportunidad de usar nuestros sensores de fibra óptica dentro de las celdas de la batería.

¿Cómo reaccionó la gente ante la idea?

No puedo decir que fue un resultado obvio. Hubo interés entre los colegas y la gente del sector de las baterías, pero también hubo muchas dudas. Para ser honesto, en la investigación de baterías hay una larga lista de personas que han tenido ideas locas que no han llegado a ninguna parte. Mucha gente ha probado diferentes opciones para incrustar un sensor dentro de una celda, pero no han llegado a nada. El interior de una batería es un entorno hostil para los sensores. Nadie había probado realmente los sensores de fibra óptica y yo era un forastero que llegaba con otra idea.

Logré convencer a todo el mundo de que al menos deberíamos presentar un documento de concepto de diez páginas a ARPA-E para intentar conseguir financiación. Propusimos esta idea inicial sin elaborar de incrustar sensores de fibra óptica y usar una versión de una lectura de bajo coste, vinculándola con algoritmos inteligentes que pueden usar esos datos sin elaborar para deducir qué ocurre dentro de las celdas de la batería.

Presentamos ese documento conceptual y recibimos un toque de motivación de ARPA-E, así como una sutil sugerencia de asociarnos con un fabricante de baterías. Después había una ventana de un par de meses para presentar una propuesta completa. Creo que en ese tiempo hablamos con tres fabricantes de baterías diferentes. La respuesta fue una mezcla muy interesante de emoción y miedo. Un gran fabricante de baterías para coches eléctricos mantuvo unas cinco conversaciones con nosotros. Cada vez decían que era tan intrigante y emocionante, pero que tenían miedo de todos los riesgos que implicaba. Pasó el tiempo y solo nos quedaban diez días para la fecha límite de presentación de propuestas. Internamente, en PARC habíamos decidido que si no conseguíamos una asociación con un fabricante de baterías no seguiríamos adelante con la propuesta.

Sucedió en el último momento. Entonces uno de los fabricantes de baterías con los que estuvimos hablando, LG Chem Power, finalmente decidió ir a por todas. Esto ocurrió diez días antes de la fecha límite. En síntesis, esencialmente nos quedamos sin dormir durante los siguientes diez días para asegurarnos de presentar una propuesta suficientemente decente. ¡Estábamos a punto de conseguirlo!

Meses más tarde, cuando finalmente se hizo el anuncio del financiamiento de ARPA-E, nos dejó atónitos a todos. Conseguimos 4 millones de dólares para un proyecto de tres años, que era por lo menos 1 millón de dólares más que cualquiera de los otros premios. Casi todo el mundo en PARC se quedó alucinado.

Sabíamos que había muchos riesgos técnicos asociados a la propuesta y, por lo tanto, los próximos tres años iban a ser realmente interesantes en muchos frentes diferentes. Hay que tener en cuenta que en 2012 los vehículos eléctricos eran un mercado incipiente.

La idea suena un claro ganador, así que ¿por qué se consideraba tan arriesgada?

Porque era arriesgada. Hay tres cosas de las que asegurarse al hacer esto: Uno: que no está afectando negativamente al rendimiento de la batería, ya sea en términos de la capacidad de carga que puede mantener o de la rapidez o lentitud con la que puede descargar un ciclo con el sensor dentro de la celda. Dos: que no está afectando la integridad del sellado. Tres: después de toda esa lucha, ¿se está recibiendo una señal que justifica todo el esfuerzo que se hizo para meter el sensor dentro?

Puedo decirles que debemos haber pasado por diez iteraciones diferentes con LG donde hubo uno u otro fallo a lo largo del camino. Cada vez que hacíamos una iteración era desolador porque el equipo de LG que nos estaba ayudando estaba ubicado en Corea del Sur. Cada vez que teníamos que enviarles sensores, tenían que ponerlos en las celdas y, como es una celda completamente nueva, hay un período de activación de un mes antes de que la celda esté lista para el ciclo. Luego tenían que enviárnosla de nuevo.

¿Alguna vez sintió que no lo lograría?

No voy a negar que hubo días en los que pensé: «Dios mío, este proyecto va a terminar el mes que viene».  Pero ARPA-E, LG Chem y el equipo de gestión de PARC siguieron apoyándonos durante todo el proceso. Nunca vacilaron.

¿Qué éxito ha tenido el proyecto SENSOR?

Al comienzo de este proyecto, todos con los que hablamos en la industria estuvieron de acuerdo en que sería realmente valioso si lográbamos alcanzar una precisión de medición dentro del 2,5 %. Para ponerlo en perspectiva, el estado actual de la tecnología es del 5 % o peor. Nadie de la industria del vehículo eléctrico admitirá abiertamente lo malos que son sus sistemas, pero en temperaturas frías la precisión probablemente no sea mejor del 10 %. Los algoritmos iniciales que hemos desarrollado han demostrado que podemos obtener una precisión del estado de las celdas del 2,5 % o superior en un amplio rango de condiciones y casos.

Nuestra visión es que esta tecnología se adopte en los vehículos eléctricos; después, ¿quién sabe adónde más podría ir? Hemos demostrado que podemos reducir el coste y el tamaño de las lecturas ópticas. Muchos de los sistemas de lectura óptica que se consiguen en el mercado hoy en día cuestan entre 15 000 y 35 000 dólares, que es aproximadamente el coste de la batería de un vehículo eléctrico. No son adecuados para los coches, en realidad tan solo son instrumentos de laboratorio. Pero con nuestra tecnología para leer señales de fibra óptica, se puede reducir al tamaño de un teléfono móvil y reducir el coste a unos cuantos cientos de dólares. Esto me da muchos motivos para ser optimista y creer que se puede utilizar en vehículos eléctricos.

Entonces, ¿cuál es el paso siguiente del proyecto SENSOR?

General Motors ha llevado la tecnología SENSOR a su laboratorio de baterías de Michigan. Es el mejor laboratorio de baterías del mundo, casi 7900 metros cuadrados dedicados exclusivamente a pruebas. Pasan por una gama mucho más amplia de escenarios de pruebas que sencillamente aquí no podemos hacer. El tiempo dirá si sobrevivimos a la prueba de fuego de la comercialización. Pero me gustaría decir que, incluso si en algún momento del camino fracasamos, Dios no lo quiera, hay un uso serio de esta tecnología como herramienta de evaluación en laboratorios e instalaciones de todo el mundo. Esto en sí mismo sería un gran éxito. Tenemos que trabajar con nuestro equipo comercial para ver de qué otra manera se puede llevar a cabo.

¿Cuál ha sido la reacción a este proyecto en PARC?

Sin duda ha preparado el terreno para muchos más proyectos de ARPA-E en PARC. Cuando presentamos nuestra propuesta a ARPA-E no había otros proyectos de ARPA-E a pesar de varios intentos anteriores. Hoy hay ocho en PARC. Desde la perspectiva de ARPA-E, somos su premiado más grande del sector privado. Por supuesto, esto no se debe exclusivamente al trabajo de mi equipo: otros investigadores, gerentes, personal de apoyo y grandes organizaciones asociadas a PARC trabajaron juntos para que esto fuese posible. Pero creo que allí desempeñamos un papel.

Enhorabuena por el proyecto.

Gracias. Ha sido divertido.

Todos hemos cambiado el mundo. Cada uno de nosotros. Con cada respiración, nuestra presencia se expande infinitamente hacia el exterior.

Pero pocos de nosotros tenemos la oportunidad de cambiar muchas vidas a mejor. Y aún menos tenemos el desafío de hacerlo todos los días. Ese es el desafío que se le lanza diariamente a los científicos de investigación de Xerox, para tratar de lograr un cambio.

A cambio, les damos tiempo y espacio para soñar. Y luego los recursos para convertir los sueños en realidad, ya sea inventando nuevos materiales con funciones increíbles o utilizando la realidad aumentada para reforzar la memoria de los pacientes de Alzheimer.

Nos sentimos orgullosos de nuestros agentes de cambio en los centros de investigación de Xerox en todo el mundo.

Visite PARC para obtener más información sobre el proyecto SENSOR.

Acerca de Xerox

Innovación Xerox

Nuestra historia de innovación

Noticias de innovación e investigación

Más historias de innovación

Productos Xerox

Servicios Xerox