Cuando los automóviles, los aviones, los barcos o las computadoras se construyen con materiales que sirven al mismo tiempo como baterías y estructuras de soporte de carga, el peso y el consumo de energía se reducen drásticamente. Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia está presentando un gran avance en el llamado almacenamiento de energía sin masa: una batería estructural 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 hasta. El 70 por ciento de la autonomía de un coche eléctrico con una sola carga.
“Hemos logrado fabricar una batería compuesta de fibra de carbono que es tan resistente como el aluminio y energéticamente eficiente para uso comercial. Al igual que el esqueleto humano, la batería hace muchas cosas a la vez”, afirma Richa, investigador de Chalmers. Chaudhry, primer autor de un artículo científico publicado recientemente en Advanced Materials.
La investigación sobre baterías estructurales lleva muchos años en curso en Chalmers y, en algunas etapas, también con investigadores del Real Instituto Tecnológico KTH de Estocolmo (Suecia). Cuando el profesor Leif Asp y sus colegas publicaron sus primeros resultados en 2018 sobre cómo las fibras de carbono rígidas y fuertes 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 logró en 2021, cuando la batería tenía una densidad de energía de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), que es aproximadamente el 20 por ciento de la capacidad de una batería de iones de litio. Ahora es de hasta 30 Wh/kg. Aunque sigue siendo inferior a las baterías actuales, la situación es completamente diferente. Cuando la batería forma parte de la construcción y puede fabricarse con materiales ligeros, el peso total del vehículo se reduce considerablemente. Entonces, por ejemplo, conducir un coche eléctrico no requiere tanta energía.
“Por supuesto, invertir en vehículos ligeros y energéticamente eficientes es importante si queremos ahorrar energía y pensar en las generaciones futuras. Hemos calculado coches eléctricos que muestran que “si pudieran durar un 70 por ciento más que las competitivas estructuras de baterías actuales”, afirma El líder de la investigación, Leif Asp, profesor del Departamento de Ciencias Industriales y de Materiales de Chalmers.
Cuando se trata de vehículos, por supuesto, existen altas exigencias de diseño para que sean lo suficientemente robustos como para cumplir con los requisitos de seguridad. Allí, la celda de batería estructurada del equipo de investigación aumentó significativamente su rigidez, o más específicamente, su módulo elástico, medido en gigapascales (GPa), de 25 a 70. 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, es la mejor batería del mundo hasta el momento”, afirma Leif Asp, que investiga baterías estructurales desde 2007.
Varios pasos hacia la comercialización
Desde el principio, el objetivo fue lograr una eficiencia que permitiera comercializar la tecnología. Paralelamente al inicio de la investigación, se ha reforzado la conexión con el mercado a través de Sinonus AB, una nueva empresa de riesgo de Chalmers con sede en Boras, Suecia.
Sin embargo, queda mucho trabajo de ingeniería por hacer antes de que las celdas de batería puedan pasar de la fabricación en laboratorio a pequeña escala a la producción en masa para nuestros dispositivos o vehículos tecnológicos.
“Se pueden imaginar teléfonos móviles más delgados que una tarjeta de crédito o portátiles que pesen la mitad del peso actual, siendo los más cercanos en el tiempo. También puede ser que componentes como la electrónica de los coches o los aviones funcionen estructuralmente con baterías. necesidades del sector del transporte, pero aquí es donde la tecnología puede marcar la mayor diferencia”, afirma Leif Asp, que está muy interesado en ello. Industrias automovilística y aeroespacial.
Más sobre: Investigación y diseño de baterías.
Las baterías estructurales son materiales que pueden transportar cargas además de almacenar energía. De esta manera, el material de la batería puede pasar a formar parte del material de construcción original de un producto, lo que significa que se puede conseguir un peso mucho menor en, por ejemplo, coches eléctricos, drones, herramientas portátiles, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Los últimos avances en este campo se publican en la revista. Contenido avanzado. Los autores son Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia y Leif Asp de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El concepto de batería desarrollado se basa en un material compuesto y tiene fibra de carbono como electrodo positivo y negativo, donde el electrodo positivo está recubierto con fosfato de hierro y litio. Cuando se introdujo el concepto de batería anterior, la cubierta del electrodo positivo estaba hecha de papel de aluminio.
La fibra de carbono utilizada en el material del electrodo es multifuncional. En el ánodo actúa como refuerzo además de colector eléctrico y material activo. En el cátodo actúa como refuerzo, colector de corriente y soporte para la formación de litio. Debido a que la fibra de carbono conduce la corriente de electrones, se reduce la necesidad de colectores de corriente hechos de cobre o aluminio (por ejemplo), lo que reduce aún más el peso total. El diseño de electrodo elegido tampoco requiere los llamados metales conflictivos, como el cobalto o el manganeso.
En una batería, los iones de litio se transportan entre los terminales de la batería a través de un electrolito semisólido en lugar de un líquido, lo que es difícil de lograr con alta potencia y requiere más investigación. Al mismo tiempo, el diseño ayuda a aumentar la seguridad en la celda de la batería, mediante un riesgo reducido de incendio.
Esta investigación está financiada por el programa de Ciencia de Materiales para la Sostenibilidad de la Iniciativa Wallenberg (WISE).
