La tecnología de las baterías de iones de litio es una de las más usadas en nuestro día a día. Están presentes en los smartphones, pero también en los ordenadores portátiles, los auriculares, los coches eléctricos o las herramientas de bricolaje inalámbricas que se usan de forma cotidiana en España. Aunque su capacidad y su durabilidad han mejorado mucho en los últimos años, siguen ocupando un espacio considerable, son peligrosas y es difícil aumentar más su densidad energética para hacerlas menos pesadas.

Para solucionar este problema, empresas y científicos están apostando por soluciones como las baterías de gravedad en los edificios o por fabricar materiales capaces de acumular energía directamente en la carcasa de los propios dispositivos. En esa misma línea, una de las investigaciones más prometedoras tiene que ver con las propiedades de la fibra de carbono para almacenar energía de forma electroquímica y hacer las veces de electrodos tras un complejo proceso de fabricación.

Es en lo que trabaja la startup sueca Sinonus, una spin-off de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Gotemburgo, que acaba de anunciar su intención de comercializar este material para alimentar todo tipo de dispositivos, empezando por pequeños sensores pero con la vista puesta en los drones, ordenadores, coches e incluso palas de aerogeneradores o edificios.

Fibra de carbono 

Como explican los responsables de Sinonus en su página web, lo habitual es construir estructuras y carcasas con materiales de un sólo uso. En el caso de la fibra de carbono, es muy apreciado en industrias como la espacial, la aeronáutica o la automovilística, gracias a su elevada resistencia mecánica y su baja densidad.

En cuanto a las baterías, son imprescindibles para el funcionamiento de infinidad de dispositivos y una de las llaves para la revolución eléctrica y de las energías renovables, pero normalmente sólo cumplen esa función de almacenamiento. "Desde el punto de vista de la eficacia, el uso único tiene un coste en el volumen, el peso y el rendimiento general del sistema", sostienen en Sinonus.

Diagrama de la fibra de carbono de Sinonus Sinonus Omicrono

Gracias a una tecnología desarrollada por Oxeon, también dependiente de la Universidad de Chalmers, y responsable de elementos como las aspas del rotor del helicóptero Ingenuity de la NASA (que ha dicho adiós en Marte tras 72 misiones y superar con creces sus objetivos iniciales), la fibra de carbono puede ofrecer ambas funciones: resistencia estructural y almacenamiento de energía.

Para conseguirlo, los técnicos de Sinonus han aprovechado la resistencia estructural de las fibras de carbono y sus propiedades electroquímicas para hacer las veces de electrodos en una célula de batería, en conjunción con un electrolito especialmente desarrollado para 'cerrar' el circuito. Así se cumple el objetivo de "realizar construcciones ligeras y estructuralmente fuertes con una capacidad de almacenamiento eléctrico integrada", que además son más seguras que las baterías de iones de litio, peligrosas por ser altamente inflamables.

Aplicaciones prácticas

Como primer uso de este material, la compañía sueca ha sustituido con éxito las pilas AAA de pequeños dispositivos que requieren baja potencia por fibra de carbono con resultados satisfactorios. "Almacenar energía eléctrica en fibra de carbono puede que no llegue a ser tan eficiente como las baterías tradicionales, pero como nuestra solución de fibra de carbono también tiene capacidad de carga estructural, se pueden obtener ganancias muy grandes a nivel de sistema", ha explicado Markus Zetterström, su recién nombrado CEO, en el medio online Recharge.

Ahora el desafío es escalar y mejorar la tecnología para adaptarla a elementos y sistemas más voluminosos y con mayores necesidades energéticas. Uno de los grandes objetivos son las palas de los aerogeneradores, habitualmente fabricadas con fibra de carbono. Así, además de generar grandes cantidades de energía en momentos en los que sopla el viento, estas gigantescas estructuras podrían también almacenarla para vencer uno de los principales problemas de las energías renovables, su intermitencia.

Una lámina de fibra de carbono con propiedades de almacenamiento de energía Sinonus Omicrono

Su potencial también es enorme en el sector de la automoción, la náutica o la aeronáutica. La fibra de carbono es habitual en estas industrias, y sería una manera de aligerar la carga que suponen las enormes baterías de iones de litio, que en ocasiones pueden suponer el 50% del peso de un vehículo eléctrico. Precisamente, una investigación de la Universidad de Chalmers llegó a la conclusión de que reducir el peso de las baterías de coches y barcos eléctricos podría disparar su autonomía hasta un 70%.

Zetterström fue más allá, y además de hablar de aerogeneradores, coches, barcos y aviones, incluso se aventuró en pronosticar que, en un futuro, los propios edificios podrían tener elementos estructurales de fibra de carbono que ejercieran como sistemas de baterías a gran escala.

Supercondensadores

La fibra de carbono tiene un potencial enorme en esta área, y ya había proporcionado avances significativos en el terreno de los supercondensadores, que son capaces de almacenar y liberar energía muy rápidamente. Son una alternativa muy atractiva frente a las baterías convencionales, ya que los materiales que los conforman son comunes (aluminio, carbono, celulosa, polímero...), lo que implica renunciar al litio y otros componentes difíciles de reciclar.

Uno de los últimos desarrollos en este terreno 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.

El casco de un pequeño barco cubierto de material supercondensador David Baillot / UC San Diego Omicrono

Para conseguirlo, fabricaron los electrodos con fibras de carbono entrelazadas en un tejido, recubierto con una mezcla de polímero conductor y óxido de grafeno reducido. Estos 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. Para demostrar y poner a prueba las capacidades de su hallazgo, 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.

Lulu Yao, estudiante de doctorado de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y primera autora del artículo publicado en la revista especializada Science Advances, 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".