Investigadores suecos producen baterías estructurales de materiales ultraligeros

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han producido una batería estructural que funciona diez veces mejor que todas las versiones anteriores. Contiene fibra de carbono que sirve simultáneamente como electrodo, conductor y material de soporte de carga. Su último avance en investigación allana el camino para el almacenamiento de energía esencialmente "sin masa" en vehículos y otras tecnologías.

Las baterías de los coches eléctricos actuales constituyen una gran parte del peso de los vehículos, sin cumplir ninguna función de soporte de carga. Una batería estructural, por otro lado, es aquella que funciona como fuente de energía y como parte de la estructura, por ejemplo, en la carrocería de un automóvil. Esto se denomina almacenamiento de energía "sin masa" porque, en esencia, el peso de la batería desaparece cuando se convierte en parte de la estructura de carga. Los cálculos muestran que este tipo de batería multifuncional podría reducir en gran medida el peso de un vehículo eléctrico.

El desarrollo de baterías estructurales en la Universidad Tecnológica de Chalmers ha avanzado a lo largo de muchos años de investigación, incluidos descubrimientos previos en ciertos tipos de fibra de carbono. Además de ser rígidos y fuertes, también tienen una buena capacidad para almacenar energía eléctrica químicamente. Este trabajo fue elegido por Physics World como uno de los diez mayores avances científicos de 2018.

El primer intento de fabricar una batería estructural se realizó ya en 2007, pero hasta ahora ha resultado difícil fabricar baterías con buenas propiedades eléctricas y mecánicas. Pero ahora el desarrollo ha dado un verdadero paso adelante, con investigadores de Chalmers, en colaboración con KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo, presentando una batería estructural con propiedades que superan con creces todo lo visto hasta ahora, en términos de almacenamiento de energía eléctrica, rigidez y resistencia. Su rendimiento multifuncional es diez veces superior al de los prototipos de baterías estructurales anteriores.

La batería tiene una densidad de energía de 24 Wh / kg, lo que significa aproximadamente un 20 por ciento de capacidad en comparación con las baterías de iones de litio comparables y disponibles en la actualidad. Pero dado que el peso de los vehículos puede reducirse en gran medida, se requerirá menos energía para conducir un automóvil eléctrico, por ejemplo, y una menor densidad de energía también da como resultado una mayor seguridad. Y con una rigidez de 25 GPa, la batería estructural realmente puede competir con muchos otros materiales de construcción de uso común.

"Los intentos anteriores de fabricar baterías estructurales han dado como resultado celdas con buenas propiedades mecánicas o buenas propiedades eléctricas. Pero aquí, utilizando fibra de carbono, hemos logrado diseñar una batería estructural con una capacidad de almacenamiento de energía y rigidez competitivas", explica Leif Asp, profesor de Chalmers y líder del proyecto.

Las bicicletas eléctricas superligeras pronto podrían ser una realidad

La nueva batería tiene un electrodo negativo hecho de fibra de carbono y un electrodo positivo hecho de una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio. Están separados por un tejido de fibra de vidrio, en una matriz de electrolitos. A pesar de su éxito en la creación de una batería estructural diez veces mejor que todas las anteriores, los investigadores no eligieron los materiales para intentar batir récords, sino que querían investigar y comprender los efectos de la arquitectura del material y el grosor del separador.

Ahora, está en marcha un nuevo proyecto, financiado por la Agencia Espacial Nacional Sueca, en el que se incrementará aún más el rendimiento de la batería estructural. El papel de aluminio se reemplazará con fibra de carbono como material de carga en el electrodo positivo, lo que proporcionará mayor rigidez y densidad de energía. El separador de fibra de vidrio será reemplazado por una variante ultradelgada, que dará un efecto mucho mayor, así como ciclos de carga más rápidos. Se espera que el nuevo proyecto se complete en dos años.

Leif Asp, quien también lidera este proyecto, estima que dicha batería podría alcanzar una densidad de energía de 75 Wh / kg y una rigidez de 75 GPa. Esto haría que la batería fuera tan fuerte como el aluminio, pero con un peso comparativamente mucho menor.

"La batería estructural de próxima generación tiene un potencial fantástico. Si nos fijamos en la tecnología de consumo, en unos pocos años podría ser muy posible fabricar teléfonos inteligentes, computadoras portátiles o bicicletas eléctricas que pesen la mitad que hoy y sean mucho más compactas", dice Leif Asp.

Y a más largo plazo, es absolutamente concebible que los coches eléctricos, los aviones eléctricos y los satélites se diseñen y funcionen con baterías estructurales. "En realidad, solo estamos limitados por nuestra imaginación aquí. Hemos recibido mucha atención de muchos tipos diferentes de empresas en relación con la publicación de nuestros artículos científicos en el campo. Es comprensible que haya un gran interés en estos materiales ligeros y multifuncionales materiales ", dice Leif Asp.

La investigación sobre baterías estructurales

La batería estructural utiliza fibra de carbono como electrodo negativo y una lámina de aluminio recubierta de fosfato de hierro y litio como electrodo positivo. La fibra de carbono actúa como anfitrión del litio y, por lo tanto, almacena la energía. Dado que la fibra de carbono también conduce electrones, también se evita la necesidad de conductores de cobre y plata, lo que reduce aún más el peso.

Tanto la fibra de carbono como el papel de aluminio contribuyen a las propiedades mecánicas de la batería estructural. Los dos materiales de los electrodos se mantienen separados por una tela de fibra de vidrio en una matriz de electrolito estructural. La función del electrolito es transportar los iones de litio entre los dos electrodos de la batería, pero también transferir cargas mecánicas entre fibras de carbono y otras partes.

El proyecto se está realizando en colaboración entre la Universidad Tecnológica de Chalmers y el Instituto Real de Tecnología KTH, las dos universidades técnicas más grandes de Suecia. El electrolito de la batería se ha desarrollado en KTH. En el proyecto participan investigadores de cinco disciplinas diferentes: mecánica de materiales, ingeniería de materiales, estructuras ligeras, electroquímica aplicada y tecnología de fibras y polímeros. La financiación procede del programa de investigación Clean Sky II de la Comisión Europea, así como de la Fuerza Aérea de EEUU.