Las baterías de iones de litio están en millones de dispositivos en España. Las llevamos en nuestros móviles, pero también son las encargadas de alimentar los coches eléctricos, los ordenadores portátiles, las aspiradoras sin cable, las herramientas de bricolaje inalámbricas y hasta el robot Curiosity que la NASA tiene en Marte. En los últimos años se ha mejorado su capacidad y durabilidad, pero esta sigue siendo limitada y depende del suministro de litio, cuyo déficit puede desatar una crisis global en cualquier momento. Por eso ya hay quien trabaja en tecnologías que podrían sustituir o ampliar sus posibilidades, como los supercondensadores, que ya están llegando a productos de consumo como la revolucionaria bicicleta eléctrica que se recarga sola y ayuda a pedalear sin cansarte.

De forma similar a las baterías tradicionales, los supercondensadores también son capaces de almacenar energía. Son sistemas que permiten almacenar y liberar energía muy rápidamente, y los materiales que los conforman son comunes (aluminio, carbono, celulosa, polímero...), lo que implica renunciar al litio y otros componentes difíciles de reciclar. El último avance proviene de un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego, que ha desarrollado un supercondensador estructural, capaz de proporcionar tanto soporte estructural como capacidad de almacenamiento de energía.

Esto se traduce, por ejemplo, en la posibilidad de fabricar carcasas para teléfonos móviles que, además de protegerlos frente a golpes o caídas, pueden ampliar drásticamente su autonomía, o partes de la carrocería de un coche eléctrico que eliminen la necesidad de instalar una pesada batería, altamente inflamable, en la zona inferior. Así lo explican en un artículo publicado en la revista especializada Science Advances, donde detallan las posibilidades que ofrece su invento a la hora de aumentar la autonomía de los dispositivos electrónicos y los vehículos sin añadir peso.

Cómo se fabrica

La industria aeronáutica lleva años trabajando en el desarrollo de supercondensadores estructurales, ya que el peso es una de las principales preocupaciones a la hora de diseñar una aeronave y lo que puede limitar en gran medida sus capacidades. Y es que, aunque los supercondensadores tradicionales son excelentes a la hora de almacenar energía, carecen de la resistencia mecánica necesaria para servir como componentes estructurales. En el caso opuesto, hay materiales que ofrecen la posibilidad de sostener cargas mecánicas, pero no son viables como reservas de energía.

Para superar estas barreras, el equipo dirigido por Tina Ng y Xinyu Zhang, profesores de ingeniería eléctrica e informática de la Jacobs School of Engineering de la Universidad de California, ha cambiado de estrategia. Su propuesta pasa por combinar distintos materiales para potenciar tanto la resistencia mecánica como el rendimiento electroquímico de los supercondensadores.

Dos de los investigadores trabajando en el laboratorio de materiales de la Universidad de California David Baillot / UC San Diego Omicrono

Normalmente, estos dispositivos se fabrican juntando dos superficies de electrodos separadas por un electrolito, que es el encargado de facilitar el flujo de iones y, por tanto, la reacción química que permite el almacenamiento de energía. En este caso, los científicos han elaborado los electrodos con fibras de carbono entrelazadas en un tejido. Eso ya aporta una resistencia estructural considerable, pero además lo han recubierto con una mezcla de polímero conductor y óxido de grafeno reducido. materiales mejoran notablemente el flujo de iones y, por tanto, aumentan la capacidad de almacenamiento.

El otro componente fundamental de este nuevo supercondensador es el electrolito sólido, obtenido a partir de la unión entre una resina epoxi y óxido de polietileno, lo que otorga al material mayor soporte estructural y favorece la movilidad de los iones.

Prototipo

Para demostrar y poner a prueba las capacidades de este nuevo supercondensador estructural, los ingenieros lo utilizaron para construir el casco de una sencilla embarcación solar. Una vez moldeado con la forma del barco, a este se le instaló un pequeño motor para propulsarse y un circuito conectado a una célula fotovoltaica.

La embarcación llevaba integrado este panel solar para cargar los supercondensadores, que a su vez alimentaron el motor de la embarcación para navegar libremente por una piscina. Esta demostración, a muy pequeña escala, "muestra el potencial de los supercondensadores estructurales para facilitar el ahorro de masa y aumentar la capacidad de captación y almacenamiento de energía en los futuros sistemas eléctricos", señalan los investigadores en el artículo.

El prototipo de barco con un supercondensador estructural

Detrás de este éxito cumple un papel crucial el óxido de polietileno, encargado de crear una red de poros en todo el electrolito. La concentración de este material varía a lo largo de todo el casco, ya que una mayor densidad aumenta el rendimiento electroquímico del supercondensador, pero genera más poros, debilitando el conjunto. 

"Esta configuración en gradiente es el truco para conseguir un rendimiento óptimo en el electrolito", afirma Tina Ng en un comunicado de prensa. "En lugar de utilizar una única configuración de electrolito, lo estructuramos de modo que los bordes que entran en contacto con los electrodos tengan un mayor rendimiento eléctrico, mientras que el centro es mecánicamente más resistente".

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El avance supone un importante paso adelante en el terreno del almacenamiento estructural de energía, pero todavía queda mucho tiempo y esfuerzo para que se convierta en una realidad en nuestro día a día. El principal problema de estos dispositivos es que, aunque pueden proporcionar grandes cantidades de energía con rapidez, se descargan mucho más rápido que las baterías tradicionales, también cuando no están en uso.

Lulu Yao, estudiante de doctorado de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y primera autora del estudio, lo considera como un primer paso clave en una investigación mucho más ambiciosa. "Nuestro trabajo futuro se centrará en aumentar la densidad energética de nuestro supercondensador hasta hacerla comparable a la de algunas baterías. El objetivo final sería conseguir tanto una mayor densidad de energía como de potencia".

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