La batería más potente del mundo allana el camino a vehículos ligeros y energéticamente eficientes
La batería podría hacer que el teléfono móvil fuera tan fino como una tarjeta de crédito o aumentar la autonomía de un coche eléctrico hasta un 70 por ciento con una sola carga
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 (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 hasta un 70% la autonomía de un coche eléctrico con una sola carga.
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 (Suecia).
Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö
"Hemos conseguido crear una batería hecha de un compuesto de fibra de carbono que es tan rígido como el aluminio y lo suficientemente denso en energía como para ser utilizado comercialmente. Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo", explica Richa Chaudhary, investigadora de Chalmers y primera autora de un artículo científico publicado recientemente en Advanced Materials.
La investigación sobre baterías estructurales lleva muchos años en Chalmers, y en algunas etapas también junto con investigadores del Real Instituto de Tecnología KTH de Estocolmo (Suecia). Cuando el profesor Leif Asp y sus colegas publicaron sus primeros resultados en 2018 sobre cómo las fibras de carbono rígidas y resistentes podían 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 y el logro fue clasificado como uno de los diez mayores avances del año por la prestigiosa Physics World.
Menos peso requiere menos energía
Desde entonces, el grupo de investigación ha seguido desarrollando su concepto para aumentar tanto la rigidez como la densidad energética. El hito anterior se alcanzó en 2021, cuando la batería tenía una densidad energética de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), lo que supone aproximadamente el 20 por ciento de capacidad de una batería de iones de litio comparable. Ahora es de 30 Wh/kg. Aunque sigue siendo una cifra inferior a la de las baterías actuales, las condiciones son muy distintas. Cuando la batería forma parte de la construcción y además puede ser de un material ligero, el peso total del vehículo se reduce mucho. Entonces no se necesita tanta energía para hacer funcionar un coche eléctrico, por ejemplo.
"Invertir en vehículos ligeros y eficientes energéticamente 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 por ciento más de tiempo que hoy si tuvieran baterías estructurales competitivas", afirma el director de la investigación, Leif Asp, 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 el aluminio, pero con un peso menor.
"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 Leif Asp, que lleva investigando baterías estructurales desde 2007.
Varios pasos hacia la comercialización
Desde el principio, el objetivo fue lograr un rendimiento que permitiera comercializar la tecnología. Paralelamente a la continuación de la investigación, se ha reforzado el vínculo con el mercado, a través de la recién creada empresa Chalmers Venture, Sinonus AB, con sede en Borås (Suecia).
Sin embargo, aún queda mucho trabajo de ingeniería por hacer antes de que las pilas den el paso de la fabricación en laboratorio a pequeña escala a la producción a gran escala para nuestros aparatos tecnológicos o vehículos.
"Cabe imaginar que los teléfonos móviles delgados como una tarjeta de crédito o los ordenadores portátiles que pesen la mitad que los actuales sean los más próximos en el tiempo. También podría ocurrir que componentes como la electrónica de los coches o los aviones funcionen con baterías estructurales. Harán falta grandes inversiones para satisfacer las exigentes necesidades energéticas de la industria del transporte, pero también es aquí donde la tecnología podría marcar la mayor diferencia", afirma Leif Asp, que ha observado un gran interés por parte de las industrias automovilística y aeroespacial.
Más sobre: Investigación y baterías estructurales
Las baterías estructurales son materiales que, además de almacenar energía, pueden soportar cargas. De este modo, el material de la batería puede formar parte del propio material de construcción de un producto, lo que significa que se puede conseguir un peso mucho menor en, por ejemplo, coches eléctricos, drones, herramientas manuales, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Los últimos avances en este campo se han publicado en el artículo Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery en la revista Advanced Materials. Los autores son Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia y Leif Asp, de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
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 elegido tampoco requiere metales conflictivos como el cobalto o el manganeso.
En la batería, los iones de litio se transportan entre los terminales de la batería 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 lo que se necesita más investigación. Al mismo tiempo, el diseño contribuye a aumentar la seguridad de la célula de la batería, al reducir el riesgo de incendio.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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