Nueva batería estructural de fibra de carbono «sin masa» para vehículos eléctricos

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han creado una batería estructural que rinde diez veces más que todas las versiones anteriores. Contiene fibra de carbono que actúa simultáneamente de electrodo, conductor y material de carga. Su último avance de investigación abre el camino al almacenamiento de energía esencialmente «sin masa» en vehículos y otras tecnologías.

Desde aviones a coches eléctricos, las pesadas baterías son un factor que limita la distancia que pueden recorrer estos vehículos.

Científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers han estado explorando una interesante alternativa a estas soluciones convencionales de almacenamiento de energía y se atribuyen un gran avance, al demostrar un nuevo tipo de batería «sin masa» que podría funcionar como fuente de energía y componente estructural de un vehículo al mismo tiempo.

El equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers lleva años investigando la idea de que las baterías pueden funcionar como componentes estructurales para ahorrar peso en el diseño de los vehículos. La fibra de carbono es un pilar fundamental de esta investigación, debido a sus excelentes y conocidas propiedades mecánicas, junto con su capacidad para actuar como material de electrodos cuando se diseña de la forma adecuada.

En 2018, los científicos publicaron un estudio en el que describían una forma de fibra de carbono con la disposición justa de los cristales para ofrecer tanto la rigidez requerida para la construcción de vehículos como el rendimiento electroquímico necesario para el almacenamiento de energía. Como parte de sus esfuerzos por trasladar esta investigación a aplicaciones del mundo real, los investigadores han producido ahora una batería estructural basada en fibra de carbono que, según dicen, rinde 10 veces más que cualquier versión anterior.

La batería consta de un electrodo negativo de fibra de carbono y un electrodo positivo de una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio. Están separados por un tejido de fibra de vidrio que sirve de matriz estructural del electrolito, que transporta los iones de litio entre los electrodos como en una batería convencional, pero también ayuda a repartir las cargas mecánicas entre las distintas partes de la estructura.

Los investigadores lo describen como un dispositivo de almacenamiento de energía «sin masa» porque, a diferencia de una batería convencional, no añade peso adicional al vehículo, al menos en teoría. Sin embargo, esto implica algunos sacrificios. Por ejemplo, la batería tiene una densidad energética de 24 Wh/kg, lo que, según el equipo, supone un 20% de la capacidad de las baterías de iones de litio actuales.

Por otro lado, si esta batería se integrara en un coche eléctrico en lugar de una típica de iones de litio, ese coche pesaría mucho menos y, por tanto, necesitaría menos energía para impulsarse por el suelo. En cuanto a sus propiedades mecánicas, el equipo afirma que el material tiene una rigidez de 25 GPa y puede competir con otros materiales de construcción de uso habitual.

Los intentos anteriores de fabricar baterías estructurales han dado lugar a celdas con buenas propiedades mecánicas o eléctricas. Pero aquí, usando fibra de carbono, hemos conseguido diseñar una batería estructural con una capacidad de almacenamiento de energía y una rigidez competitivas.

Leif Asp, director del proyecto.

Los investigadores afirman que este nuevo diseño multiplica por diez el rendimiento de los intentos anteriores de crear una batería estructural, pero se plantean objetivos aún más ambiciosos. La siguiente fase de su investigación consiste en sustituir el aluminio del electrodo positivo por fibra de carbono para aumentar aún más el rendimiento energético y mecánico, mientras que el tejido de fibra de vidrio se sustituirá por una versión más fina para favorecer una carga más rápida.

Asp estima que esta batería podría ofrecer una densidad energética de hasta 75 Wh/kg y una rigidez de 75 GPa, lo que la haría tan fuerte como el aluminio pero mucho más ligera. A partir de ahí, las posibilidades en torno a los vehículos eléctricos e incluso la electrónica de consumo podrían ser realmente emocionantes.

La próxima generación de baterías estructurales tiene un potencial fantástico. Si nos fijamos en la tecnología de consumo, podría ser muy posible dentro de unos años fabricar smartphones, ordenadores portátiles o bicicletas eléctricas que pesen la mitad que hoy y sean mucho más compactas.

Leif Asp.

Más información: onlinelibrary.wiley.com

Vía www.chalmers.se