La tecnología de consumo de las últimas dos décadas ha puesto en el centro del debate las baterías de iones de litio como imprescindible fuente de energía. Los móviles, auriculares, electrodomésticos y ordenadores son los más comunes, pero la revolución eléctrica del transporte ha llevado esta dependencia de las baterías un paso más allá. Por eso, científicos y empresas de todo el mundo trabajan desde hace años en mejorar sus prestaciones, con innovaciones como los supercondensadores, que ya están llegando a productos de consumo como la revolucionaria bicicleta eléctrica que se recarga sola. 

Uno de los enfoques más revolucionarios pasa por reducir su tamaño y aumentar su capacidad gracias a las baterías estructurales. 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 en su zona inferior.

"Hemos conseguido crear una batería con un compuesto de fibra de carbono que es tan rígido como el aluminio y lo suficientemente denso en energía como para ser utilizado comercialmente. Al igual que un esqueleto humano, la batería tiene varias funciones al mismo tiempo", explica en un comunicado de prensa Richa Chaudhary, investigadora de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Gotemburgo, Suecia) y autora principal del artículo.

Un proyecto de largo recorrido

Éste es el hallazgo más reciente de un proyecto de largo recorrido, liderado por el profesor Leif Asp de la propia Chalmers. Los primeros resultados se publicaron en 2018, cuando el equipo dirigido por Asp compartió sus avances sobre cómo las fibras de carbono podían funcionar como electrodos en baterías de iones de litio. Así, al menos en teoría, estructuras fabricadas con ellas podrían almacenar energía eléctrica químicamente. 

Sin embargo, los primeros prototipos carecían de la rigidez suficiente y su densidad energética era muy escasa. Por eso, Asp y su equipo siguieron investigando, hasta que en 2021 presentaron una batería de fibra de carbono más resistente y con una densidad energética de 24 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), aproximadamente el 20% de capacidad de una batería de iones de litio comparable.

Los investigadores en el laboratorio donde han desarrollado este nuevo material Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö Omicrono

Su intención era producir estas nuevas baterías a gran escala y por eso pusieron en marcha la empresa Sinonus, una spin-off de la Universidad Tecnológica de Chalmers. En junio de este mismo año, Sinonus anunció su intención de comercializar este material para alimentar todo tipo de dispositivos, empezando por pequeños sensores pero con la vista puesta en drones, ordenadores, coches e incluso palas de aerogeneradores o edificios.

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.

La batería fabricada con fibra de carbono Sinonus Omicrono

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 desde Sinonus.

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.

Universidad de California Omicrono

La ingeniosa batería que no tendrás que cambiar nunca: 200.000 ciclos de carga sin perder eficiencia

Como primer uso de este material, la compañía sueca sustituyó 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", explicó en su día Markus Zetterström, su recién nombrado CEO, en el medio online Recharge.

Más densidad y rigidez

Ahora, el equipo de Chalmers ha presentado sus últimos avances. En el nuevo diseño descrito en el artículo publicado en Advanced Materials, el electrodo positivo pasa a recubrirse con fosfato de hierro y litio. Como la fibra de carbono conduce la corriente de electrones, se reduce la necesidad de colectores de corriente de cobre o aluminio, lo que disminuye aún más el peso total y tampoco requiere de metales conflictivos como el cobalto o el manganeso.

Con esta composición, la batería de fibra de carbono alcanza una densidad energética de 30 Wh/kg, una cifra que sigue siendo inferior a la de las baterías actuales, pero que puede cambiar por completo el panorama. Al ser un material más ligero, el peso total de, por ejemplo, un coche eléctrico, se reduciría enormemente, lo que implicaría también una menor necesidad de energía y una mayor autonomía.

Las nuevas baterías de fibra de carbono desarrolladas en la Universidad Tecnológica de Chalmers Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö Omicrono

"Invertir en vehículos ligeros y eficientes energéticamente es una cuestión de rutina si queremos ahorrar energía y pensar en las generaciones futuras", sostiene Asp. "Hemos hecho cálculos sobre coches eléctricos que demuestran que podrían circular hasta un 70 por ciento más de tiempo que hoy si tuvieran baterías estructurales competitivas".

La nueva composición también ha aumentado la resistencia del material. Las células estructurales de la batería han pasado de tener una rigidez de 25 a 70 gigapascales (GPa). Eso implica que pueden soportar cargas mucho más pesadas, a un nivel similar que el aluminio, pero con un peso inferior.

Ahora, los técnicos de Sinonus y los investigadores de Chalmers siguen trabajando en escalar la tecnología para llevar estas nuevas baterías del laboratorio a la fábrica. "Los teléfonos móviles delgados como una tarjeta de crédito o los ordenadores portátiles que pesen la mitad que los actuales" serán los más próximos en el tiempo, según Leif Asp. "También podría ocurrir que componentes como la electrónica de los coches o los aviones funcionen con baterías estructurales".