Foto: Un investigador instala una nueva puerta de maletero hecha de fibras de carbono capaces de almacenar electricidad.
El alto coste y la limitada autonomía de los vehículos eléctricos puede dificultar las ventas, y su componente más costoso y limitante son las baterías.
Sin embargo, las baterías también abren nuevas posibilidades de diseño gracias a que pueden adoptar formas distintas a las de los tanques de gasolina y, además, pueden estar hechas de materiales capaces de soportar cargas físicas. Si se logra que los componentes químicos sean más seguros, las baterías podrían reemplazar a los paneles de las puertas convencionales y otras partes del cuerpo del coche, lo que podría hacer que el vehículo fuera mucho más ligero, amplio y barato. Esto podría de algún modo ayudar a que los coches eléctricos compitan con los impulsados por gasolina.
Tesla Motors y Volvo han hecho demostraciones de las primeras versiones de este enfoque general mediante la construcción de paquetes de baterías con los que reemplazar parte del material estructural de un coche convencional. Docenas de otros grupos de investigación y empresas están tomando medidas adicionales para crear baterías que reemplacen partes ya existentes, como paneles y marcos de la carrocería.
La capacidad de usar baterías como materiales estructurales está actualmente limitada por el uso de electrolitos inflamables, aunque los investigadores están desarrollando compuestos químicos más seguros que podrían utilizarse de forma más amplia. El enfoque también plantea varias cuestiones prácticas: ¿Se pueden diseñar paneles de carrocería que almacenen energía y funcionen, incluso, si están abollados? ¿A qué precio ascenderá la carrocería? Sin embargo, los fabricantes de automóviles podrían verse bajo presión y recurrir a este enfoque para vender más vehículos eléctricos e híbridos y cumplir con las futuras y rigurosas normas de economía de combustible.
Las baterías son el elemento más caro de los coches eléctricos, así que abaratar su coste también abarataría el precio de los vehículos. Pero, incluso si no se logran avances significativos, los nuevos diseños de batería podrían aligerar el peso de un coche.
Un ejemplo es el modo en que Tesla ha diseñado la batería para el Modelo S. La caja metálica que protege la batería también sirve para aumentar la rigidez de la estructura del coche, lo que reduce la cantidad total de metales necesaria (ver "Tesla está a la cabeza de la innovación en los coches eléctricos").
Este mes, Volvo hizo una demostración de otro enfoque usando baterías de ión-litio, hechas de láminas delgadas de material enrolladas o plegadas para formar una célula de batería. Varios investigadores de la Universidad Tecnológica de Lulea en Suecia, en colaboración con Volvo, intercalaron estas películas entre láminas de material compuesto de fibra de carbono. La estructura resultante se usó para reemplazar partes de la carrocería de plástico y una pequeña batería convencional en una versión híbrida del Volvo S80. (El coche es un híbrido tipo 'arranque y parada' ('stop-start') que utiliza una batería para poder apagar el motor cuando el vehículo no está en movimiento).
La Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados para la Energía del Departamento de Energía de EEUU (ARPA-E por sus siglas en inglés) ha invertido 37 millones de dólares (27 millones de euros) en proyectos cuyo objetivo es usar baterías como materiales estructurales. (El programa se llama RANGE, siglas en inglés de 'Robust, Affordable, Next-Generation Energy Storage Systems', o sistemas de nueva generación de almacenamiento de energía robustos y asequibles). En dos proyectos de la ARPA-E, los investigadores están buscando formas de diseñar paquetes de baterías para que absorban la energía en un choque y reemplazar los materiales que hoy día se utilizan para proteger a los pasajeros. Por ejemplo, en lugar de colocar células de batería en un bloque sólido, podría hacerse que las células fueran capaces de desplazarse y separarse en caso de accidente, disipando la energía a medida que lo hagan.
La mayoría de los enfoques que se están explorando hasta ahora siguen utilizando células de batería convencionales, las partes del paquete que realmente almacenan energía. Si se logra crear células de batería más seguras, habría más flexibilidad en el modo en que un coche puede ser diseñado. No habría que colocarlas en cajas protectoras o regular su temperatura para evitar incendios de la batería.
"Cuando no tienes que obsesionarte con la protección de las baterías, puedes ser mucho más creativo. No estás limitado a la arquitectura de los coches convencionales", señala Ping Liu, que ha ayudado a gestionar y concebir el proyecto RANGE de la ARPA-E.
Con este fin, varios investigadores están desarrollando nuevos compuestos químicos que no utilizan electrodos inflamables, por lo que se pueden utilizar baterías como paneles de puertas y mantener la seguridad. Están considerando reemplazar los volátiles electrolitos con polímeros resistentes al fuego, materiales a base de agua y la cerámica. Una vez que tengan un electrolito más seguro, los investigadores buscarán maneras de utilizar los electrodos de la batería en una célula para soportar cargas físicas.
Volvo tiene una versión experimental de este enfoque que utiliza fibras de carbono en materiales compuestos para almacenar y conducir la electricidad y también para fortalecer los materiales compuestos. Al dispositivo se le ha dado forma de tapa de maletero. Pero sólo podría producir suficiente electricidad para iluminar algunos LED, por lo que no puede reemplazar la batería de un coche eléctrico o un híbrido. Una versión más reciente está siendo desarrollada en el Imperial College de Londres (Reino Unido) reemplaza el epoxi que normalmente mantiene unidas las fibras de carbono en un material compuesto con una mezcla de materiales rígidos y líquidos iónicos que pueden conducir moléculas cargadas. Esto forma un tipo de supercondensador que podría almacenar suficiente energía para ser utilizado en lugar de una batería en un híbrido de arranque y parada.
En el caso de los coches eléctricos e híbridos con baterías más grandes, los supercondensadores no almacenan suficiente energía. Así que para proporcionar una autonomía de conducción suficiente, algunos investigadores están desarrollando baterías de ión-litio que utilizan fibras de carbono para un electrodo, pero usan materiales de ión-litio convencionales para el opuesto. Otros han desarrollado un electrolito de polímero no volátil para reemplazar a los convencionales, que son inflamables. El material resultante permitirá "hacer dos cosas a la vez", asegura el profesor de la Universidad de Lulea, Leif Asp. Varios proyectos de la ARPA-E están siguiendo este tipo de enfoque.
Sin embargo, es probable que pase más de una década antes de que estos nuevos electrolitos y células de batería capaces de soportar cargas se usen en coches. Será difícil asegurar que la batería almacene grandes cantidades de energía y también pueda ser lo suficientemente fuerte como componente estructural.
Asp señala que las primeras aplicaciones podrían aparecer en equipos electrónicos portátiles, donde las baterías capaces de soportar cargas podrían reemplazar a las cajas de plástico convencionales. Si los componentes de un automóvil pueden fabricarse algún día a partir de estos materiales, las baterías podrían finalmente dejar de ser un factor limitante para convertirse en un aliciente de venta.