Un equipo de investigadores de la Universidad estadounidense de Drexler ha diseñado un novedoso sistema de optimización y enfriamiento que ayuda a evitar que las baterías de los vehículos eléctricos se sobrecalienten. Como consecuencia, estas baterías incrementan sus parámetros de rendimiento de manera que se alarga su vida útil para que pueda ser utilizada durante más tiempo sin degradarse. El sistema proporciona una red de enfriamiento inspirada en la red microvascular de los seres humanos.
El resultado de la investigación es un sistema que equilibra numerosos factores basándose en el empleo de fibra de carbono. Proporciona especificaciones óptimas para el diseño del sistema de refrigeración de las baterías estructurales, que cumplen una doble función en los vehículos eléctricos: como componente estructural y como acumulador de energía. A partir de materiales compuestos, el sistema proporciona una red de enfriamiento microvascular que puede ayudar a evitar que los dispositivos se calienten demasiado, funcionen mal e incluso lleguen a incendiarse.
El método ha sido desarrollado bajo la dirección de Ahmad Najafi, profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de la universidad. Según ha explicado, equilibra los factores que mejoran el rendimiento de la batería, como la capacidad y la conductividad, reduciendo otras variables que agregan complejidad, como el peso y el sobrecalentamiento, que juegan en contra del rendimiento y pueden causar un mal funcionamiento.
El objetivo general del proyecto es proporcionar las mejores especificaciones de un paquete de batería adaptado a cualquier diseño de EV, asegura el equipo de investigación en el artículo publicado sobre su trabajo en la revista Composites Part B: Engineering. Lo consiguen calculando el mejor patrón, tamaño y número de canales microvasculares para disipar rápidamente el calor de las baterías, además de optimizar el diseño para la eficiencia del flujo del refrigerante que se mueve a través de los canales.
"El esquema de optimización propuesto tiene como objetivo maximizar la autonomía de los vehículos eléctricos al tiempo que se asegura de que el paquete de baterías no se sobrecaliente durante el funcionamiento y muestre una integridad mecánica prometedora", afirman en el artículo los investigadores.
Najafi compara el sistema con el de la refrigeración de un vehículo con motor de combustión interna basado en un radiado: "El refrigerante atrae el calor y lo aleja del compuesto de la batería a medida que se mueve a través de la red de microcanales".
La reducción de peso: carbono y baterías sólidas
Los investigadores trabajaron con una batería de fibra de carbono, que ya de por sí reduce el peso que tienen las baterías en proporción con la energía que transportan, un factor clave que inhibe el rendimiento. Por esta razón, los científicos y los fabricantes de automóviles han estado considerando el uso de baterías sólidas basadas en fibra de carbono, como una versión adelgazada de las baterías de iones de litio más grandes que se usan típicamente en los vehículos eléctricos, para reducir el peso de los vehículos. Según las estimaciones de los investigadores, reducir el peso de un automóvil en solo un 10 % puede aumentar la eficiencia y aumentando la autonomía entre un 6 y un 8 %.
Por lo tanto, el uso de un compuesto de fibra de carbono en una batería estructural que desempeña un papel doble como componente estructural del vehículo y como acumulador de energía, puede reducir el peso total del vehículo y mejorar su capacidad para almacenar energía.
El sistema de enfriamiento: la inspiración en la naturaleza
El calentamiento de las baterías de litio es uno de los grandes hándicaps cuando se emplea en vehículos eléctricos. El aumento de la temperatura no solo tiene repercusiones en el rendimiento del vehículo sino que también provoca que se acelere su degradación.
En las baterías de estado sólido, en las que el electrolito líquido se sustituye por una material sólido (tipo cerámico) o polimérico, esta tendencia al calentamiento se mostrará todavía más acusada, asegura Najafi. Esto es debido a que la conductividad del electrolito polimérico es mucho menor que la de los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de iones de litio. Como consecuencia se crean cuellos de botella en el movimiento de los electrones que generan calor.
Para crear su sistema de gestión térmica, los investigadores se inspiraron en el sistema vascular del cuerpo humano, que es el método de enfriamiento propio de la naturaleza para disipar el calor. Para lograrlo modificaron una herramienta de diseño personalizado para crear una red microvascular óptica que puede ayudar en el diseño de compuestos de refrigeración. Estos materiales se pueden integrar en el empaquetamiento de las baterías estructurales que actualmente están probando compañías como Tesla, Volvo y Volkswagen, dijeron los investigadores.
En el sistema también integraron parámetros para el uso de la fibra de carbono en la batería, como el grosor y las direcciones de las fibras en cada capa, la fracción de volumen de las fibras en los materiales activos y la cantidad de paneles compuestos microvasculares necesarios para la regulación térmica.
El sistema a prueba
Una vez establecidos los parámetros los investigadores probaron varias combinaciones para asegurarse de que cumplieran con los estándares de integridad estructural del vehículo. Posteriormente simularon la demanda de energía de un vehículo a varias velocidades durante varios minutos, mientras registraban la temperatura de la batería y la autonomía prevista del vehículo.
Esta investigación mostró que el sistema podría mejorar la autonomía de un Tesla Model S hasta en un 23 %. Sin embargo, su aplicación real está dirigida a ayudar a descubrir la mejor combinación de tamaño y peso de la batería junto a la optimización de la capacidad de enfriamiento suficiente para mantenerla en funcionamiento en cualquier vehículo actual o futuro, dijo Najafi.
"Si bien sabemos que cada pequeño ahorro de peso puede ayudar a mejorar el rendimiento de un vehículo eléctrico, la gestión térmica puede ser igual de importante, quizás más, cuando se trata de hacer que las personas se sientan cómodas al conducirlo, afirma el comunicado de prensa. "Nuestro sistema se esfuerza por integrar mejoras en ambas áreas, que podrían desempeñar un papel importante en el progreso de los vehículos eléctricos".
