Construir autos con baterías no es tan loco como parece

El alto costo y la gama limitada de vehículos eléctricos pueden hacerlos difíciles de vender, y su componente más costoso y limitante son sus baterías.

Tronco de energía: Un investigador instala una nueva tapa del maletero hecha de fibras de carbono que almacenan electricidad.

Pero las baterías también abren nuevas posibilidades de diseño porque se pueden moldear de más formas que los tanques de gasolina y porque pueden fabricarse con materiales que soporten cargas. Si sus químicas pueden hacerse más seguras, las baterías podrían reemplazar los paneles de las puertas convencionales y otras partes de la carrocería, lo que podría hacer que un vehículo sea significativamente más liviano, más espacioso y más barato. Esto podría contribuir de alguna manera a ayudar a los autos eléctricos a competir con los que funcionan con gasolina.

Tesla Motors y Volvo han demostrado las primeras versiones del enfoque general al construir paquetes de baterías que pueden reemplazar parte del material estructural en un automóvil convencional. Docenas de otros grupos de investigación y empresas están tomando medidas adicionales para fabricar baterías que reemplacen las partes existentes de la carrocería, como los paneles y los marcos de la carrocería.

La capacidad de usar baterías como materiales estructurales está actualmente limitada por el uso de electrolitos inflamables, pero los investigadores están desarrollando productos químicos más seguros que podrían usarse más ampliamente. El enfoque también plantea varias preguntas prácticas: ¿se pueden diseñar los paneles de la carrocería que almacenan energía de modo que, incluso si están abollados, el automóvil seguirá funcionando? ¿Y qué tan cara será la carrocería? Sin embargo, los fabricantes de automóviles podrían recurrir al enfoque bajo presión para vender más vehículos eléctricos e híbridos para cumplir con los estrictos estándares futuros de economía de combustible.

Las baterías son el artículo más caro de los coches eléctricos, por lo que su abaratamiento también abarataría los vehículos eléctricos. Pero incluso sin avances significativos, los nuevos diseños de baterías podrían hacer que un automóvil sea más liviano.

Un ejemplo es la forma en que Tesla ha diseñado la batería para el Model S. La carcasa de metal que protege la batería también sirve para hacer que el marco del automóvil sea más rígido, lo que reduce la cantidad total de metal necesaria (consulte Cómo Tesla está impulsando la innovación del automóvil eléctrico).

Este mes, Volvo demostró otro enfoque utilizando baterías de iones de litio, que están hechas de películas delgadas de material que se enrollan o doblan para formar una celda de batería. Investigadores del Universidad Tecnológica de Lulea en Suecia, en colaboración con Volvo, colocó estas películas entre láminas de compuesto de fibra de carbono. La estructura resultante se utilizó para reemplazar partes de la carrocería de plástico y una pequeña batería convencional en una versión híbrida del Volvo S80. (El automóvil es un híbrido de arranque y parada que usa una batería para hacer posible apagar el motor cuando el automóvil no está en movimiento).

El Departamento de Energía de EE. UU. Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Energía está gastando $ 37 millones en proyectos que buscan usar baterías como materiales estructurales. (El programa se llama RANGE, que significa sistemas de almacenamiento de energía robustos, asequibles y de próxima generación). En dos proyectos ARPA-E, los investigadores están descubriendo formas de diseñar paquetes de baterías para absorber energía en un choque y reemplazar los materiales que ahora se utilizan para proteger a los pasajeros. Por ejemplo, en lugar de empaquetar las celdas de la batería en un bloque sólido, se podría permitir que las celdas se crucen entre sí en un accidente, disipando energía a medida que lo hacen.

La mayoría de los enfoques que se están explorando hasta ahora todavía utilizan celdas de batería convencionales, las partes del paquete que realmente almacenan energía. Si se pueden fabricar celdas de batería más seguras, esto proporcionaría aún más flexibilidad en la forma en que se puede diseñar un automóvil. No necesitaría encerrarlos en estuches protectores ni regular su temperatura para evitar incendios de la batería.

Cuando no está obsesionado con proteger las baterías, puede ser mucho más creativo. No está limitado a la arquitectura de los automóviles convencionales, dice Ping Liu , quien administra y ayudó a concebir el proyecto RANGE de ARPA-E.

Con este fin, varios investigadores están desarrollando nuevas químicas que no usan electrodos inflamables, por lo que las baterías podrían usarse de manera segura como paneles de puertas. Están considerando reemplazar los electrolitos volátiles con polímeros, materiales a base de agua y cerámicas menos inflamables (consulte Baterías de estado sólido). Una vez que tengan un electrolito más seguro, los investigadores buscarán formas de usar los electrodos de la batería en una celda para soportar cargas.

Volvo tiene una versión experimental de este enfoque que utiliza fibras de carbono en materiales compuestos para almacenar y conducir electricidad, pero también para fortalecer los compuestos. El dispositivo se formó en forma de tapa de maletero. Pero solo podía producir suficiente electricidad para encender algunos LED, por lo que no podía reemplazar la batería de un automóvil eléctrico o híbrido. Se está desarrollando una versión más nueva en Imperial College de Londres reemplaza el epoxi que normalmente mantiene unidas las fibras de carbono en un 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 utilizada en lugar de una batería en un híbrido de arranque y parada.

Para autos eléctricos e híbridos con baterías más grandes, los supercondensadores no almacenan suficiente energía. Entonces, para proporcionar suficiente rango de conducción, algunos investigadores están desarrollando baterías de iones de litio que usan fibras de carbono para un electrodo, pero usan materiales de iones de litio convencionales para el opuesto. Otros han desarrollado un electrolito de polímero no volátil para reemplazar los convencionales inflamables. El material resultante permitirá hacer dos trabajos con una sola cosa, dice Leif Asp , profesor de la Universidad de Lulea. Varios proyectos de ARPA-E están adoptando este tipo de enfoque.

Sin embargo, es probable que estos nuevos electrolitos y celdas de batería que soportan carga estén a más de una década de ser útiles en los automóviles. Será difícil asegurarse de que la batería almacene grandes cantidades de energía y también pueda ser lo suficientemente fuerte como componente estructural.

Asp dice que las primeras aplicaciones podrían estar en la electrónica portátil, donde las baterías de carga podrían reemplazar las cajas de plástico convencionales. Pero si algún día se pueden fabricar componentes de automóviles con dichos materiales, las baterías podrían finalmente pasar de ser un factor limitante a un punto de venta.

esconder