Las baterías de iones de litio presentan varios problemas cuando se emplean en la aviación eléctrica. Existen limitaciones importantes para hacer compatible la cantidad de energía necesaria para hacer volar durante un tiempo aceptable un avión eVTOL (despegue y aterrizaje vertical) y mantener un peso contenido. Otra posibilidad es trabajar sobre la velocidad de carga de las baterías. Un grupo de científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania ha creado una batería experimental con una tecnología innovadora de carga a alta temperatura que permite lograr suficiente energía en tan solo 10 minutos como para realizar vuelos de 80 kilómetros.
La adaptación del uso de las baterías para alimentar aviones eléctricos es mucho más complicada que las que se encuentran a la hora de implementarlas, por ejemplo, en los coches eléctricos. Esta dificultad radica en la necesidad de reducir lo máximo posible su peso para que no imposibilite un uso adecuado. Existe un complicado balance entre la cantidad de energía que puede almacenar una batería y que sea lo suficientemente liviana como para permitir que la aeronave despegue y permanezca el tiempo suficiente en el aire. Su comparación con la densidad de energía que ofrece el queroseno de los aviones tradicionales las hace en muchos casos inviables técnica y económicamente.
Lograr aumentar la densidad de energía de las baterías es uno de los desafíos clave de la industria de la aviación eléctrica, aunque también existen otros factores que hay que tener en cuenta. Uno de ellos es el tiempo de recarga necesario para mantener los aviones en vuelo la mayor parte del tiempo posible. Ambos son incompatibles entre sí, puesto que a mayor densidad de energía, mayor tiempo para logar una recarga completa.
Batería con Modulación de temperatura asimétrica creada en 2019 por los investigadores de la Universidad de Pensilvania, que se carga a altas temperaturas y se enfría para descargarla.
Así lo explica Chao-Yang Wang, ingeniero mecánico y autor del estudio de la Universidad Estatal de Pensilvania publicado en la revista Joule, que ha ideado un proceso para lograr recargar las baterías de litio empleando un proceso de precalentamiento previo. "Las baterías para los aviones eVTOL necesitan una densidad de energía muy alta para que pueda permanecer en el aire y también necesitan una potencia muy elevada durante el despegue y el aterrizaje vertical", explica Wang.
La nueva tecnología se basa en una batería experimental desarrollada hace un par de años. Las baterías de litio solo pueden funcionar con seguridad dentro de un cierto rango de temperatura. A altas temperaturas, la carga es más eficiente, pero los iones de litio se depositan en el ánodo formando dendritas, lo que provoca la degradación de la batería.
Los investigadores encontraron una forma de evitar este segundo efecto utilizando una fina lámina de níquel adherida al terminal negativo, gracias a la que es posible calentar rápidamente la batería a 60°C en tan solo 30 segundos. La batería solo permanece a esa temperatura durante 10 minutos, antes de volver a enfriarse rápidamente.
Este tiempo es suficiente para aprovechar las mayor eficiencia de la recarga a altas temperaturas, evitando la formación de dendritas y la degradación. En 2019, los científicos demostraron el buen funcionamiento de esta técnica con un prototipo de batería que, en 10 minutos, podía recuperar la energía suficiente para que un automóvil eléctrico recorriera 480 km (300 millas). Ahora, el equipo de Wang la ha adaptado esta tecnología a los aviones eVTOL.
El equipo asegura que sus nuevas baterías experimentales tienen una densidad de energía suficiente como para alimentar un avión de este tipo durante 80 kilómetros y se pueden recargar en un tiempo de entre 5 y 10 minutos gracias a la tecnología de carga de alta temperatura. Este diseño permite limitar el tiempo de exposición de la batería a la temperatura de carga elevada, alargando su vida útil. Los investigadores han demostrado la longevidad del diseño al comprobar que mantienen su rendimiento durante más de 2.000 ciclos de carga.
Proceso de carga y descarga de la batería de la Universidad de Pensilvania.
Mientras que en circunstancias normales las tres características deseables para una batería de un avión eVTOL son incompatibles entre sí: la alta densidad de energía aumenta los tiempos de recarga y además reduce el número de ciclos antes de que se produzca degradación, con esta batería y esta tecnología de carga se puede lograr conciliar los tres atributos, asegura Wang.
La intención del equipo no es continuar con la investigación para acabar convirtiendo su batería en un producto comercial, sino mostrar los requisitos necesarios que debe tener para su uso en este tipo de transporte cuya actividad implica despegues y aterrizajes frecuentes y una gran cantidad de recargas intermedias. "Espero que el trabajo que hemos realizado ofrezca una idea sólida de que no son necesarios otros 20 años para hacer viables estos vehículos", asegura, "hemos demostrado que los eVTOL son comercialmente viables".
