Un método que abre camino a mejores vehículos con pila de combustible

Un grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) ha presentado un avance a nivel mundial en el llamado almacenamiento de energía sin masa.

Se trata de una una batería estructural que podría reducir a la mitad el peso de un ordenador portátil, hacer que el teléfono móvil sea tan fino como una tarjeta de crédito o aumentar la autonomía de un coche eléctrico hasta en un 70 por ciento con una sola carga.

"Hemos conseguido crear una batería de compuesto de fibra de carbono que es tan rígida como el aluminio y lo suficientemente densa energéticamente como para ser utilizada comercialmente. Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo", afirma la investigadora de Chalmers Richa Chaudhary, que es la primera autora de un artículo científico publicado recientemente en Advanced Materials.

La investigación sobre baterías estructurales se lleva a cabo desde hace muchos años en Chalmers, y en algunas etapas también junto con investigadores del Instituto Real de Tecnología KTH en 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 podrían almacenar energía eléctrica químicamente, el avance atrajo una gran atención.

La noticia de que la fibra de carbono puede funcionar como electrodo en las baterías de iones de litio se difundió ampliamente y el logro fue clasificado como uno de los diez mayores avances del año por la revista Physics World, según informó la Universidad de Chalmers en un comunicado.

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 la capacidad de una batería de iones de litio comparable. Ahora es de hasta 30 Wh/kg. Si bien esto sigue siendo inferior a las baterías actuales, las condiciones son bastante diferentes. Cuando la batería forma parte de la construcción y además puede estar hecha de un material ligero, el peso total del vehículo se reduce considerablemente. Entonces no se necesita tanta energía para hacer funcionar, por ejemplo, un coche eléctrico.

"Invertir en vehículos ligeros y energéticamente eficientes es algo natural si queremos ahorrar energía y pensar en las generaciones futuras. Hemos realizado cálculos sobre coches eléctricos que demuestran que podrían durar hasta un 70 por ciento más que hoy si tuvieran baterías estructurales competitivas", afirma el responsable de la investigación Leif Asp, profesor del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.

En el caso de los vehículos, por supuesto, las exigencias en cuanto a su diseño son altas: deben ser lo suficientemente resistentes como para cumplir con los requisitos de seguridad. En este sentido, la celda de batería estructural del equipo de investigación ha aumentado considerablemente 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 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.

Desde el principio, el objetivo era conseguir un rendimiento que permitiera comercializar la tecnología. Paralelamente al hecho de que la investigación continúa ahora, se ha reforzado el vínculo con el mercado a través de la nueva empresa Chalmers Venture Sinonus AB, con sede en Bor*s, Suecia.

Sin embargo, todavía queda mucho trabajo de ingeniería por hacer antes de que las células de la batería pasen de la fabricación en laboratorio a pequeña escala a la producción a gran escala para nuestros aparatos tecnológicos o vehículos.

"Se puede pensar que los teléfonos móviles o los ordenadores portátiles del grosor de una tarjeta de crédito, que pesan la mitad que hoy, son los más próximos en el tiempo. También podría ser que los componentes electrónicos de los coches o los aviones funcionen con baterías estructurales. Para satisfacer las exigentes necesidades energéticas de la industria del transporte se necesitarán grandes inversiones, pero también es ahí donde la tecnología podría marcar la diferencia", afirma Leif Asp, que ha detectado un gran interés en la industria automovilística y aeroespacial.

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 material de construcción real de un producto, lo que significa que se puede lograr un peso mucho menor en, por ejemplo, coches eléctricos, drones, herramientas manuales, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.

El concepto de batería desarrollado se basa en un material compuesto y tiene fibra de carbono como electrodo positivo y negativo, donde el electrodo positivo está recubierto con 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, colector eléctrico y material activo. En el cátodo actúa como refuerzo, colector de corriente y como andamiaje sobre el que se construye el litio. Como 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 reduce aún más el peso total. Tampoco se requieren los llamados metales conflictivos como el cobalto o el manganeso en el diseño del electrodo elegido.

En la batería, los iones de litio se transportan entre los terminales de la batería a través de un electrolito semisólido, en lugar de uno líquido, lo que es un desafío cuando se trata de obtener alta potencia y para esto se necesita más investigación. Al mismo tiempo, el diseño contribuye a aumentar la seguridad en la celda de la batería, al reducir el riesgo de incendio.