La batería más potente del mundo allana el camino para los vehículos ligeros y energéticamente eficientes
Presentan una batería hecha de compuesto de fibra de carbono y tan rígida como el aluminio que podría reducir a la mitad el peso de un ordenador portátil, hacer el móvil tan fino como una tarjeta de crédito o aumentar la autonomía de un coche eléctrico hasta un 70% con una sola carga.
Por la Universidad Tecnológica Chalmers
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han logrado crear una batería hecha de compuesto de fibra de carbono que es tan rígida como el aluminio y densa en energía. Cortesía: Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö
Cuando los coches, aviones, barcos u ordenadores se construyen con un material que funciona a la vez como batería y como estructura de carga, el peso y el consumo de energía se reducen radicalmente.
Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, presenta ahora un avance líder mundial en el llamado almacenamiento de energía sin masa: una batería estructural que podría reducir a la mitad el peso de un ordenador portátil, hacer el teléfono móvil tan fino como una tarjeta de crédito o aumentar la autonomía de un coche eléctrico hasta un 70% con una sola carga.
«Hemos conseguido crear una batería fabricada con un compuesto de fibra de carbono que es tan rígido como el aluminio y lo bastante denso en energía como para ser utilizado comercialmente —explica Richa Chaudhary, investigadora de Chalmers y primera autora de un artículo científico publicado en Advanced Materials. Y añade—: Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo».
Fibras de carbono para almacenar energía eléctrica
Las baterías estructurales son una de las líneas de investigación que desde hace muchos años lleva desarrollando la la Universidad Tecnológica de Chalmers en colaboración con investigadores del Real Instituto de Tecnología KTH de Estocolmo. Cuando el profesor Leif Asp y sus colegas publicaron sus primeros resultados en 2018 sobre cómo las fibras de carbono rígidas y fuertes podrían almacenar energía eléctrica químicamente, el avance atrajo una atención masiva.
La noticia de que la fibra de carbono puede funcionar como electrodos en baterías de iones de litio fue ampliamente difundida; el logro fue clasificado como uno de los diez mayores avances del año 2018 por la prestigiosa Physics World.
Desde entonces, el grupo de investigación ha desarrollado aún más su concepto para aumentar tanto la rigidez como la densidad de energía. El hito anterior se alcanzó en 2021, cuando la batería tenía una densidad de energía de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), lo que significa aproximadamente el 20% de la capacidad de una batería de iones de litio del mercado.
La batería, parte del esqueleto del vehículo
Ahora es de hasta 30 Wh/kg. Si bien esto sigue siendo una cifra más baja que la de las baterías actuales, las condiciones son bastante diferentes. Cuando la batería es parte de la construcción y también puede estar hecha de un material liviano, el peso total del vehículo se reduce considerablemente. Entonces no se requiere tanta energía para hacer que se mueva un coche eléctrico, por ejemplo.
El concepto de batería desarrollado en Suecia se basa en un material compuesto y tiene fibra de carbono como electrodos positivo y negativo, donde el positivo está recubierto con fosfato de hierro y litio. La fibra de carbono utilizada en el material del electrodo es multifuncional. En el ánodo actúa como refuerzo, así como colector eléctrico y material activo. En el cátodo actúa como refuerzo, colector de corriente y como andamio para que el litio se construya. En la imagen, los conectores de corriente delgada están conectados a los electrodos. Crédito: Universidad Tecnológica de Chalmers | Henrik Sandsjö
«Invertir en vehículos ligeros y energéticamente eficientes es una obviedad, si queremos ahorrar energía y pensar en las generaciones futuras. Hemos hecho cálculos sobre coches eléctricos que demuestran que podrían circular hasta un 70% más de tiempo que hoy si tuvieran baterías estructurales competitivas», afirma Leif Asp, líder de la investigación y profesor del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.
Cuando se trata de vehículos, por supuesto, hay grandes exigencias para que el diseño sea lo suficientemente resistente como para cumplir los requisitos de seguridad. En este caso, la célula estructural de la batería del equipo de investigación ha aumentado significativamente su rigidez, o más concretamente, el módulo elástico, que se mide en gigapascales (GPa), de 25 a 70.
Esto significa que el material puede soportar cargas más elevadas. Esto significa que el material puede soportar cargas tan bien como lo hace el aluminio, pero con un peso menor.
La mejor batería del mundo
«En términos de propiedades multifuncionales, la nueva batería es el doble de buena que su predecesora, y, de hecho, la mejor jamás fabricada en el mundo», afirma Asp, que lleva investigando baterías estructurales desde hace casi veinte años.
Desde el principio, el objetivo fue conseguir un rendimiento que permitiera comercializar la tecnología. Paralelamente al hecho de que la investigación continúa, se ha fortalecido el vínculo con el mercado, a través de la nueva empresa de Chalmers Venture, Sinonus AB, con sede en Borås (Suecia).
Sin embargo, todavía queda mucho trabajo de ingeniería por hacer antes de que las celdas de batería hayan dado el paso de la fabricación en laboratorio a pequeña escala a la producción a gran escala para nuestros dispositivos tecnológicos o vehículos.
Los investigadores Zhenyuan Xia, Richa Chaudhary y Leif Asp, en el laboratorio de grafeno del Departamento de Ciencia Industrial y de los Materiales de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia. Crédito: Universidad Tecnológica de Chalmers/ Henrik Sandsjö
«Uno puede imaginar que los móviles o los laptops como tarjetas de crédito, que pesan la mitad que hoy, son los más cercanos en el tiempo. También podría ser que componentes como la electrónica de los coches o aviones funcionen con baterías estructurales —dice Asp, quien ha notado un gran interés por parte de las industrias automotriz y aeroespacial. Y añade—: Se requerirán grandes inversiones para satisfacer las desafiantes necesidades energéticas de la industria del transporte, pero aquí es también donde la tecnología podría marcar la mayor diferencia».
Las baterías estructurales son materiales que, además de almacenar energía, pueden transportar cargas. De este modo, el material de la batería puede convertirse en parte del propio material de construcción de un producto, lo que significa que se puede conseguir un peso mucho menor, por ejemplo, en coches eléctricos, drones, herramientas de mano, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Los últimos avances en este ámbito se han publicado en el artículo Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery de la revista Advanced Materials. Los autores son Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia y Leif Asp, de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
Fibra de carbono como electrodos positivo y negativo
El concepto de batería desarrollado se basa en un material compuesto, y tiene fibra de carbono como electrodos positivo y negativo, donde el electrodo positivo está recubierto de fosfato de hierro y litio. Cuando se presentó el concepto de batería anterior, el núcleo del electrodo positivo estaba hecho de una lámina de aluminio.
La fibra de carbono utilizada en el material del electrodo es multifuncional. En el ánodo actúa como refuerzo, así como colector eléctrico y material activo. En el cátodo, actúa como refuerzo, colector de corriente y andamio sobre el que se asienta el litio.
Dado que la fibra de carbono conduce la corriente de electrones, se reduce la necesidad de colectores de corriente de cobre o aluminio, por ejemplo, lo que disminuye aún más el peso total. El diseño del electrodo tampoco requiere metales conflictivos como el cobalto o el manganeso.
En la batería, los iones de litio se transportan entre los terminales de la pila a través de un electrolito semisólido, en lugar de líquido, lo que supone un reto a la hora de obtener una alta potencia y para ello es necesario seguir investigando. Al mismo tiempo, el diseño contribuye a aumentar la seguridad de la célula de la batería, al reducir el riesgo de incendio. ▪️
Información facilitada por la Universidad Tecnológica Chalmers -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia, Leif E. Asp. Unveiling the Multifunctional Carbon Fiber Structural Battery. Advanced Materials (2024). DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202409725
