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Un gran avance en el almacenamiento de energía
Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han creado una batería estructurada que funciona diez veces más rápido que todas las versiones anteriores.Contiene fibras de carbono que se utilizan simultáneamente como electrodos, conductores y materiales de carga.Su último avance en la investigación allanó el camino para el almacenamiento de energía y otras tecnologías para vehículos esencialmente "sin masa".
Hoy en día, las baterías de los vehículos eléctricos representan una gran parte del peso del vehículo, pero no realizan ninguna función de carga.Por otra parte, una batería estructural es una batería que funciona tanto como fuente de alimentación como como parte de una estructura, por ejemplo, en un cuerpo.Esto se conoce como almacenamiento de energía "sin masa", porque esencialmente, cuando la batería se convierte en parte de la estructura de carga, el peso de la batería desaparece.El cálculo muestra que la batería multifuncional puede reducir en gran medida el peso del Vehículo eléctrico.
El desarrollo de baterías estructurales en la Universidad Tecnológica de Chalmers ha sido estudiado durante muchos años, incluyendo descubrimientos anteriores que involucran ciertos tipos de fibra de carbono.Además de ser duros y fuertes, también tienen una buena capacidad de almacenamiento químico de energía eléctrica.El trabajo fue clasificado como uno de los diez avances científicos más importantes en 2018 por el mundo físico.
La fabricación de baterías estructuradas se intentó por primera vez en 2007, pero hasta ahora ha sido difícil producir baterías con buenas propiedades eléctricas y mecánicas.
La Dra. Johanna Xu demostró a Leif asp en el laboratorio de materiales compuestos de Chalmers con una nueva batería estructural.La batería está compuesta por un electrodo de fibra de carbono y un electrodo de fosfato férrico de litio. Los electrodos están separados por un tejido de fibra de vidrio. Todos los electrodos están impregnados con electrolitos estructurales de la batería para realizar la combinación de funciones mecánicas y eléctricas.Las tres baterías estructurales están conectadas en serie para ser laminadas como parte de un laminado compuesto más grande.El voltaje nominal de cada célula de batería estructural es de 2,8 v.El voltaje total del laminado es de 8,4 V y la rigidez del plano es ligeramente superior a 28 GPA.Crédito: Marcus Forino, Universidad Tecnológica de Chalmers
Pero ahora, con la colaboración de los investigadores de Chalmers con el Instituto Real de tecnología KTH de Estocolmo, el desarrollo ha dado un paso real, mostrando una batería estructurada que supera con creces cualquier cosa que se pueda ver en términos de almacenamiento de energía, rigidez y resistencia.Su versatilidad es diez veces mayor que la de un prototipo de batería de construcción anterior.
La densidad de energía de la batería es de 24 Wh / kg, y la capacidad de la batería es de aproximadamente el 20% en comparación con la batería de iones de litio disponible.Sin embargo, dado que el peso del vehículo puede reducirse considerablemente, por ejemplo, la energía necesaria para conducir un vehículo eléctrico se reducirá y la baja densidad de energía mejorará la seguridad.Las baterías estructurales tienen una rigidez de 25 GPa y pueden competir con muchos otros materiales de construcción comunes.
"Como resultado de los intentos anteriores de fabricar baterías estructuradas, las baterías tienen buenas propiedades mecánicas o eléctricas.Pero aquí, con fibra de carbono, hemos diseñado con éxito una batería estructural que es competitiva en almacenamiento de energía y rígida ", explica Leif ASP, Profesor Chalmers y Director del proyecto.
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El electrodo negativo de la nueva batería está hecho de fibra de carbono y el electrodo positivo está hecho de lámina de aluminio recubierta con fosfato férrico de litio.Están separados por un tejido de fibra de vidrio en una matriz electrolítica.Aunque lograron construir baterías estructurales diez veces mejores que todas las baterías anteriores, los investigadores no eligieron materiales para tratar de romper récords, sino para investigar y entender los efectos de la estructura del material y el espesor de la partición.
En la actualidad, se está llevando a cabo un nuevo proyecto financiado por la Agencia Espacial Nacional Sueca y se mejorará aún más el rendimiento de las baterías estructurales.La lámina de aluminio será reemplazada por fibra de carbono como material de carga en el electrodo positivo, proporcionando mayor rigidez y densidad de energía.Los separadores de fibra de vidrio serán reemplazados por separadores ultrafinos que producirán un mayor efecto - y ciclos de carga más rápidos.Se prevé que el nuevo proyecto concluya en dos años.
Leif ASP, quien dirigió el proyecto, estimó que la batería tenía una densidad de energía de 75 Wh / kg y una rigidez de 75 GPA.Esto hará que la batería sea tan robusta como el aluminio, pero relativamente ligera.
"La próxima generación de baterías estructuradas tiene un gran potencial.Si miramos la tecnología de consumo, es perfectamente posible producir smartphones, laptops o bicicletas eléctricas en unos a ños, que pesan la mitad de lo que son hoy en día y son más compactas ", dijo Leif ASP.
A largo plazo, es concebible que los vehículos eléctricos, los aviones eléctricos y los satélites estén diseñados y alimentados con baterías estructurales.
"Aquí estamos realmente limitados por la imaginación.Nuestros trabajos científicos en este campo han atraído la atención de muchos tipos diferentes de empresas.Es comprensible que la gente tenga un gran interés en estos materiales ligeros y multifuncionales.
Referencia: Leif E. "Structural Battery and its multifuncionality".ASP, Carl Bowden, David karsted, Duan shanhong, Ross Harden, William Johansson, Marcus Johansson, Mats K.G.Johnson, Glenn Lindbergh, Liu Fang, Kevin pewart, Lynn M.Schneider, Johanna Xu y dan zenkert, 27 de enero de 2021, Advanced Energy and Sustainability Research.
Ministerio del Interior: 10.1002 / aesr.202000093
Más sobre: investigación de baterías estructuradas
Las baterías estructurales utilizan fibra de carbono como electrodo negativo y lámina de aluminio recubierta de fosfato férrico de litio como electrodo positivo.La fibra de carbono actúa como el cuerpo principal del litio, almacenando así energía.Debido a que las fibras de carbono también transportan electrones, también evitan la necesidad de conductores de cobre y plata, reduciendo así aún más el peso.Tanto la fibra de carbono como la lámina de aluminio son útiles para mejorar las propiedades mecánicas de las baterías estructurales.Los dos materiales de electrodos se mantienen separados por un tejido de fibra de vidrio en una matriz electrolítica estructurada.La tarea del electrolito es transportar iones de litio entre los dos electrodos de la batería, as í como cargas mecánicas entre la fibra de carbono y otros componentes.
El proyecto fue ejecutado conjuntamente por la Universidad Tecnológica de Chalmers y el Instituto Tecnológico real KTH, las dos mayores universidades técnicas de Suecia.El electrolito de batería se ha desarrollado en KTH.El proyecto involucra a investigadores de cinco disciplinas diferentes: mecánica de materiales, ingeniería de materiales, estructura ligera, electroquímica aplicada y tecnología de fibra y polímero.La financiación proviene del proyecto de investigación de la Comisión Europea Clean Sky II y de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
