Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, ubicada Gotemburgo (Suecia), han logrado crear una batería que incluye fibra de vidrio en su composición, que puede formar parte de la estructura resistente del vehículo y a la vez almacenar energía. Está basada en un trabajo anterior en que estudiaron la estructura cristalina precisa que debería tener la batería para ser capaz de ofrecer suficiente rigidez como para para formar parte de la estructura del vehículo y a la vez mantener el rendimiento electroquímico necesario para el almacenamiento de energía. El resultado de la presente investigación es una batería que consta de un electrodo negativo de fibra de carbono y un electrodo positivo formado por una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio y que puede ser implementada en el mundo real.
Si bien la capacidad de las baterías ha aumentado en las generaciones actuales de los coches eléctricos, este componente sigue siendo el principal hándicap que limita la aceptación masiva de esta tecnología y su implementación en otros sectores. Los vehículos de alto tonelaje como los camiones, los autobuses y los ferrocarriles, la aviación y la navegación precisan de baterías muy pesadas y voluminosas que suponen un factor limitante para la industria.
La fibra de carbono, clave en el diseño de esta nueva batería
Los científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers han estado explorando una alternativa a las baterías convencionales que se emplean para el almacenamiento de energía y que puede suponer un gran avance. Se trata de un nuevo tipo de batería que puede funcionar a la vez como fuente de energía y como componente estructural.
Una batería que también funciona como componente estructural abre algunas posibilidades interesantes en el transporte eléctrico. Foto: Marcus Folino.
El equipo de investigadores ha pasado años investigando la idea de que las baterías pueden funcionar como componentes estructurales para ahorrar peso en el diseño de vehículos. La fibra de carbono es un pilar clave de esta investigación, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, junto con su capacidad para actuar como material de electrodo cuando se diseña de la manera correcta.
En 2018, los científicos publicaron un estudio en el que describen un formato de fibra de carbono con la disposición justa de cristales para ofrecer la rigidez requerida para formar parte de la estructura del vehículo y el rendimiento electroquímico necesario para el almacenamiento de energía. Ahora, en una segunda fase, que aprovecha esta primera investigación, el esfuerzo va dirigido a su empleo en aplicaciones del mundo real. Los investigadores han creado una batería estructural a base de fibra de carbono que, según dicen, funciona 10 veces mejor que cualquier versión anterior.
La batería consta de un electrodo negativo de fibra de carbono y un electrodo positivo fabricado a partir de una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio. El separador es una tela de fibra de vidrio que sirve como matriz electrolítica estructural, que transporta los iones de litio entre los electrodos como en una batería convencional, pero también ayuda a distribuir las cargas mecánicas a diferentes partes de la estructura.
Los investigadores la describen como un dispositivo de almacenamiento de energía "sin masa" porque, a diferencia de una batería convencional no agrega ningún peso adicional al vehículo. Sin embargo, esta doble propiedad implica que su densidad de energía sea tan solo de 24 Wh/kg, que supone alrededor del 20% de la capacidad de las baterías de iones de litio actuales.
A pesar de esta limitación, su ventaja es que el coche eléctrico en el que se integre reducirá sensiblemente su peso total y, por lo tanto, requeriría mucha menos energía para propulsarse. En cuanto a sus propiedades mecánicas, el equipo dice que el material tiene una rigidez de 25 GPa por lo que puede compararse con otros materiales de uso común que se emplean en la industria automovilística.
Según afirma el director del proyecto, Leif Asp, "los intentos anteriores de fabricar baterías estructurales han dado como resultado celdas con buenas propiedades mecánicas o buenas propiedades eléctricas". Hasta ahora no se había logrado una batería que ofreciese buenas cualidades en los dos aspectos: "utilizando fibra de carbono, hemos logrado diseñar una batería competitiva en ambos campos, como elemento estructural y como almacén de energía", añade.
Los autores del estudio Johanna Xu y Leif Asp con su nueva batería "sin masa". Foto: Marcus Folino.
La nueva fase de la investigación
En el estado actual de la investigación, el nuevo diseño ofrece una mejora de rendimiento diez veces superior al logrado por otro trabajos dirigidos a lograr el mismo objetivo. Actualmente, el equipo ha iniciado una nueva fase de con el objetivo de lograr mejorar las características de la batería. En ella, el aluminio del electrodo positivo se reemplazará por fibra de carbono para aumentar aún más la energía y el rendimiento mecánico, mientras que la tela de fibra de vidrio se sustituirá por una versión más delgada lo que permitirá aumentar la velocidad de carga.
Según Asp, esta batería podría llegar a ofrecer una densidad de energía de hasta 75 Wh/kg y una rigidez de 75 GPa, lo que la hace tan resistente como el aluminio, pero mucho más ligera. A partir de ahí, las posibilidades de empleo en la industria del automóvil, en el transporte y también en la electrónica de consumo serían muy grandes.
"La batería estructural de próxima generación tiene un potencial fantástico", asegura. "En unos años podría ser posible fabricar teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles o bicicletas eléctricas con la mitad de peso", concluye.
