CHALMERS – La batería más rígida del mundo abre el camino a vehículos ligeros y energéticamente eficientes

World’s strongest battery paves way for light, energy-efficient vehicles

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Göteborg/Suecia) han logrado crear una batería compuesta de fibra de carbono que es tan rígida como el aluminio y lo suficientemente densa en energía para ser utilizada comercialmente. Si los coches, aviones, barcos u ordenadores se construyen a partir de un material que actúa como batería y estructura portante, el peso y el consumo de energía se reducen radicalmente. 

Cuando los coches, aviones, barcos u ordenadores se construyen a partir de un material que sirve a la vez de batería y de estructura de soporte, el peso y el consumo de energía se reducen radicalmente. Ahora, un grupo de investigación de Chalmers presenta un avance líder a nivel mundial en el llamado almacenamiento de energía sin peso: una batería estructural que podría reducir a la mitad el peso de las computadoras portátiles, hacer que los teléfonos móviles sean tan delgados como una tarjeta de crédito o hacer que los autos eléctricos alcancen hasta el 70 por ciento. más tiempo con una sola carga.
– Hemos logrado crear una batería compuesta de fibra de carbono que es tan rígida como el aluminio y con suficiente densidad energética para ser utilizada comercialmente. Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo, dice la investigadora de Chalmers Richa Chaudhary, 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 determinadas etapas, también en colaboración con investigadores de la Royal University of Technology, KTH. Cuando el profesor Leif Asp y sus colegas publicaron en 2018 publicaron sus primeros resultados sobre cómo las fibras de carbono, rígidas y resistentes, demostraron tener una buena capacidad para almacenar químicamente energía eléctrica, se produjo un verdadero revuelo. La noticia de que la fibra de carbono puede actuar como electrodos en baterías de iones de litio circuló ampliamente, y el respetado Physics World calificó el avance como uno de los diez mayores avances del año.

Un peso más bajo 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 de energía de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), lo que significa aproximadamente el 20 por ciento de la capacidad de una batería de iones de litio comparable. Ahora es de hasta 30 Wh/kg. Aunque sigue siendo inferior al de las baterías actuales, las condiciones son completamente diferentes. Cuando la batería forma parte de la construcción y también puede fabricarse en un material ligero, el peso se reduce significativamente. Entonces no se necesita tanta energía para conducir, por ejemplo, un coche eléctrico.
– Invertir en vehículos ligeros y energéticamente eficientes es algo natural si queremos economizar energía y pensar en las generaciones futuras. Hemos hecho cálculos sobre los coches eléctricos que muestran que podrían conducir hasta un 70 por ciento más que hoy si tuvieran baterías estructurales competitivas, dice el líder de la investigación Leif Asp, profesor del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.
En el caso de los vehículos, por supuesto, se exige mucho que la construcción sea lo suficientemente rígida para cumplir los requisitos de seguridad. Allí, la celda de batería estructural del equipo de investigación aumentó su rigidez, medida en gigapascales (GPa), de 25 a 70. Esto significa que el material puede soportar cargas tan bien como el aluminio, pero con menos peso.
– En cuanto a sus propiedades multifuncionales, la nueva batería es dos veces mejor que su predecesora y, de hecho, es la mejor jamás fabricada en el mundo, afirma Leif Asp, que investiga 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 investigación en curso, se ha reforzado la conexión con el mercado a través de la recién creada empresa Chalmers Venture, Sinonus AB, con sede en Borås.
Sin embargo, aún queda mucho trabajo de ingeniería antes de que las celdas de batería den el paso de la producción en laboratorio a pequeña escala a la producción a gran escala para nuestros dispositivos tecnológicos o vehículos.
– Se puede imaginar que los teléfonos móviles del grosor de una tarjeta de crédito o los ordenadores portátiles que pesan la mitad que hoy son los más cercanos en el tiempo. Pero también puede tratarse de componentes electrónicos de automóviles o aviones alimentados por baterías estructurales. O será una inversión difícil satisfacer las exigentes necesidades energéticas de la industria del transporte, donde la tecnología realmente podría marcar la diferencia, afirma Leif Asp, que observa un gran interés por parte de las industrias de la automoción y la aviación.
Más sobre: ​​La investigación y las baterías estructurales
Las baterías estructurales son baterías que, además de almacenar energía, pueden transportar cargas. De esta manera, la batería puede pasar a 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 Fiber 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 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 cuerpo del electrodo positivo estaba hecho de papel de aluminio).
El material del electrodo es multifuncional y funciona como refuerzo, además de conductor eléctrico y material activo, ya que aloja y sirve de soporte para el litio. Dado que la fibra de carbono conduce la corriente (los electrones), se reduce la necesidad de conductores de corriente de cobre o plata, por ejemplo, lo que reduce aún más el peso. Tampoco se necesitan los llamados 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 uno líquido, lo que supone un reto a la hora de conseguir alta potencia y para ello 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.
La investigación ha sido financiada por el programa Ciencia de Materiales para la Sostenibilidad (WISE) de la Iniciativa Wallenberg. [https://www.chalmers.se/aktuellt/nyheter/ims-varldens-styvaste-batteri-oppnar-for-latta-energisnala-fordon/]