Cuando los coches, aviones, barcos u ordenadores se fabrican a partir de un material que sirve a la vez de batería y de estructura portante, el peso y el consumo de energía se reducen radicalmente. Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica Chalmers de Suecia está presentando un gran avance en el llamado almacenamiento de energía sin masa: una batería estructurada que podría reducir a la mitad el peso de una computadora portátil, hacer que un teléfono móvil sea tan delgado como una tarjeta de crédito o crecer más. Los vehículos eléctricos tienen hasta un 70 por ciento de autonomía con una sola carga.
“Hemos logrado crear una batería hecha de un compuesto de fibra de carbono que es tan fuerte como el aluminio y lo suficientemente densa en energía para ser utilizada comercialmente. Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo”, dijo Richa, investigadora de Chalmers. . Chowdhury, primer autor de un artículo científico publicado recientemente en Advanced Materials.
La investigación sobre baterías estructurales ha estado en curso en Chalmers durante muchos años y, en algún momento, con investigadores del Real Instituto de Tecnología KTH en Estocolmo, Suecia. Cuando el profesor Leif Asp y sus colegas publicaron sus primeros resultados en 2018, mostrando cómo las fibras de carbono resistentes y resistentes pueden almacenar químicamente energía eléctrica, el avance atrajo una atención generalizada.
Menos peso requiere menos energía
Desde entonces, el grupo de investigación ha seguido desarrollando su concepto para aumentar tanto la rigidez como la densidad energética. El hito anterior se alcanzó en 2021, cuando la densidad de energía de la batería era de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), lo que significa alrededor del 20 por ciento de la capacidad de baterías de iones de litio comparables. Ahora es de hasta 30 Wh/kg. Aunque sigue siendo inferior a las baterías actuales, las condiciones son bastante diferentes. Cuando la batería forma parte de la construcción y también puede estar fabricada con materiales ligeros, el peso total del vehículo se reduce considerablemente. Entonces no se necesita tanta energía para conducir un coche eléctrico, por ejemplo.
“Invertir en vehículos ligeros y energéticamente eficientes es imprescindible si queremos ahorrar energía y pensar en las generaciones futuras. Hemos calculado que los coches eléctricos pueden funcionar un 70 por ciento más que hoy. Las baterías estructurales competitivas eran”, afirmó. El líder de la investigación Leif Esp, profesor del Departamento de Ingeniería y Ciencia de Materiales de Chalmers.
En el caso de los vehículos, por supuesto, existen altas exigencias en cuanto a que el diseño sea lo suficientemente robusto para cumplir con los requisitos de seguridad. Allí, la celda de batería estructural del equipo de investigación aumentó significativamente su rigidez, o más específicamente, su módulo elástico, que se mide entre 25 y 70 gigapascales (GPa). Esto significa que el material puede soportar cargas tan bien como el aluminio, pero con menos peso.
“En términos de propiedades multifuncionales, la nueva batería es dos veces mejor que su predecesora y, de hecho, la mejor del mundo”, afirma Leif Asp, que investiga baterías estructuradas desde 2007.
Varios pasos hacia la comercialización
Desde el principio, el objetivo fue lograr un rendimiento que permitiera comercializar la tecnología. Paralelamente a la investigación que ahora continúa, se han fortalecido los vínculos con el mercado a través de Sinonus AB, una empresa de riesgo de Chalmers recientemente lanzada con sede en Bors, Suecia.
Sin embargo, todavía queda mucho trabajo de ingeniería por hacer antes de que las celdas de batería puedan dar el salto de la producción en laboratorio a pequeña escala a la producción a gran escala para nuestros dispositivos o vehículos tecnológicos.
“Se puede imaginar que los teléfonos móviles del grosor de una tarjeta de crédito o los ordenadores portátiles, que pesan la mitad de lo que pesan actualmente, sean los más parecidos en el tiempo. Incluso puede ser que componentes como la electrónica de los coches o los aviones funcionen con baterías estructurales. Habrá una gran necesidad “Para ello, la industria del transporte invierte para satisfacer las exigentes necesidades energéticas, pero aquí es donde la tecnología puede marcar la mayor diferencia”, afirmó Leif Esp, que ha notado un gran interés por parte de la industria automovilística y aeroespacial.
Más sobre: Investigación y baterías estructuradas
Las baterías estructurales son materiales que pueden almacenar energía y transportar cargas. De esta manera, el componente de la batería puede convertirse en parte del material de construcción real de un producto, lo que significa que se puede lograr un peso mucho menor, por ejemplo, en coches eléctricos, drones, herramientas portátiles, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Los últimos avances en este ámbito han sido publicados en la revista Materiales avanzados. Los autores son Richa Chowdhury, Johanna Xu, Zhenyuan Xia y Leif SP de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El concepto avanzado de batería se basa en un material compuesto y tiene fibra de carbono como electrodos positivo y negativo, con el electrodo positivo recubierto con fosfato de hierro y litio. Cuando se introdujo el concepto de batería anterior, el núcleo del electrodo positivo estaba hecho de una lámina de aluminio.
La fibra de carbono utilizada en el material de los electrodos es versátil. En el ánodo actúa como refuerzo, además de colector eléctrico y material activo. En el cátodo actúa como refuerzo, colector de corriente y andamio para la formación de litio. Dado que la fibra de carbono conduce la corriente de electrones, se reduce la necesidad de un colector de corriente hecho de cobre o aluminio (por ejemplo), lo que reduce aún más el peso total. Los diseños de electrodos seleccionados tampoco requieren los llamados metales conflictivos, como el cobalto o el manganeso.
En las baterías, los iones de litio se transportan entre los terminales a través de un electrolito semisólido en lugar de un líquido, lo que supone un desafío para obtener alta potencia y requiere más investigación. Al mismo tiempo, el diseño contribuye a aumentar la seguridad de las celdas de la batería al reducir el riesgo de incendio.
La investigación fue financiada por el programa de Ciencia de Materiales para la Sostenibilidad de la Iniciativa Wallenberg (WISE).