¡Batería estructural multifuncional de fibra de carbono desarrollada con éxito! Se espera aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en un 70%.
Cuando los coches, aviones, barcos u ordenadores se fabriquen con un material que pueda servir tanto de batería como de estructura portante, su peso y su consumo energético se reducirán significativamente. Según un artículo publicado el día 10 en el último número deMateriales avanzados, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia ha logrado avances en el "almacenamiento de energía sin masa" y ha desarrollado una batería estructural de fibra de carbono multifuncional. Esta batería podría reducir a la mitad el peso de los portátiles, hacer que los teléfonos inteligentes sean tan delgados como las tarjetas de crédito o aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en un 70% con una sola carga.
Ricardo Chaudhry, investigador de la Universidad Tecnológica de Chalmers, afirmó que la batería estructural que desarrollaron está hecha de compuestos de fibra de carbono, con una rigidez comparable a la del aluminio y una densidad de energía suficiente para una aplicación comercial. Una batería estructural es un material que puede almacenar energía y soportar cargas. Hacer que los materiales de la batería sean parte integral de la estructura real del producto significa que productos como vehículos eléctricos, drones, herramientas portátiles, computadoras portátiles y teléfonos inteligentes pueden lograr un peso reducido.
Los vehículos eléctricos dependen en gran medida de grandes baterías de iones de litio para viajes de larga distancia. Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers querían ver si podían crear una batería que sirviera como material de carga para mantener unido el vehículo y al mismo tiempo reducir el peso. En el marco del proyecto "Almacenamiento masivo de energía", el equipo de investigación sueco desarrolló una batería fabricada a partir de compuestos de fibra de carbono. Esta batería tiene una dureza similar al aluminio y puede almacenar una cantidad considerable de energía, lo que la hace apta para uso comercial.
Se espera que las baterías de fibra de carbono almacenen energía y soporten cargas de manera similar a las baterías de aluminio.
De hecho, la fibra de carbono es reconocida por su increíble peso ligero, alta resistencia y gran rigidez, lo que la convierte en una opción popular en los materiales estructurales y estéticos de los vehículos de alto rendimiento. A pesar de su elevado coste, también es un material fundamental en aplicaciones aeroespaciales, donde cada gramo cuenta. Sin embargo, si se diseña con ingeniería electroquímica para este propósito, también puede servir como material de electrodo eficaz. Dirigido por el profesor Leif Asp, el equipo de Chalmers ha estado investigando esta área durante muchos años y publicó un estudio en 2018 que demostró por primera vez esta propiedad de las fibras de carbono con una disposición cristalina específica.
Los investigadores Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry y el profesor Leif Asp llevan muchos años estudiando el concepto de almacenamiento de energía sin masa.
La densidad de energía del nuevo diseño de batería es de 30 Wh/kg, lo que, para los estándares automotrices, no es particularmente alto. Como referencia, la densidad de energía nominal del paquete de baterías de 53 kWh del Hyundai Ioniq 6 es de 153 Wh/kg (PDF). Sin embargo, esta cifra representa sólo la densidad de energía del paquete de baterías alojado en una caja; Para una comparación justa, también se debe considerar el peso de toda la estructura del vehículo. El diseño de esta batería estructural de fibra de carbono pretende sustituir todo el chasis, reduciendo el peso total del vehículo y liberando espacio.
Los fabricantes de equipos y vehículos eléctricos pueden aprovechar esta nueva ecuación para reducir significativamente el peso del producto o utilizar el espacio liberado para agregar más baterías, mejorando así la capacidad general de almacenamiento de energía.
Estos resultados podrían ser revolucionarios en la práctica. Asp afirmó: "Hemos realizado cálculos en vehículos eléctricos y los resultados indican que si los vehículos eléctricos adoptaran baterías estructurales competitivas, su tiempo de conducción podría ampliarse en un 70 % en comparación con los modelos actuales".
La dureza del último prototipo del equipo es casi tres veces mayor que la de las iteraciones anteriores, y el módulo elástico aumenta de 25 GPa a 70 GPa. El equipo afirma que su dureza y capacidad de carga son ahora comparables a las del aluminio, pero es mucho más ligero.
Este diseño de batería utiliza fibra de carbono tanto en el ánodo como en el cátodo, que también sirve para reforzar y conducir la electricidad. Como resultado, no hay necesidad de materiales pesados como el cobre para crear colectores de corriente, ni tampoco es necesario utilizar metales conflictivos como el cobalto en el diseño del electrodo.
Este diseño de batería utiliza materiales de fibra de carbono tanto para el ánodo como para el cátodo.
Además, esta batería emplea un electrolito semisólido en lugar de un electrolito líquido para facilitar el movimiento de iones de litio entre terminales. Como resultado, es menos inflamable y más seguro de usar, aunque el equipo de investigación reconoce que todavía existen desafíos para permitir que los iones pasen rápidamente a través del electrolito para satisfacer las demandas de las aplicaciones de alta potencia. Se necesita más investigación en esta área.
De hecho, este es solo otro prototipo de batería de laboratorio, por lo que estos vehículos y dispositivos eléctricos de próxima generación tardarán varios años más en desarrollarse. Sin embargo, la producción y comercialización a gran escala ya están en marcha. Ya en 2022, la universidad se asoció con la firma de capital riesgo Chalmers Ventures en Gotemburgo para establecer una nueva empresa llamada Sinonus. Esta empresa nombró a un nuevo director general en junio de este año para impulsar la comercialización del almacenamiento de energía sin masa, que podría cambiar la forma en que fabricamos automóviles, dispositivos e incluso palas de turbinas eólicas.
Asp afirmó: "Podemos imaginar teléfonos móviles que sean tan delgados como una tarjeta de crédito o computadoras portátiles que pesen sólo la mitad de lo que pesan ahora y que sean los más cercanos en términos de tiempo. Componentes como la electrónica en automóviles o aviones también podrían funcionar con energía estructural". "Esto requerirá una inversión significativa para satisfacer las desafiantes demandas energéticas de la industria del transporte, pero aquí es donde la tecnología puede tener el mayor impacto".
