Cuatro veces más densidad energética y hasta 250 grados: el supercondensador de polímero que quiere revolucionar el coche eléctrico
Investigadores estadounidenses han optado por una vía diferente en el desarrollo de baterías creando un nuevo condensador de polímero capaz de almacenar cuatro veces más energía y soportar temperaturas extremas lo que permitiría desarrollar coches capaces de recorrer largas distancias sin que el frío o el calor les afecte.
Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha dado un paso que puede tener bastante más impacto del que parece a simple vista. Han desarrollado un nuevo supercondensador de polímero capaz de almacenar hasta cuatro veces más energía que los diseños actuales y, además, soportar temperaturas de hasta 250 grados Celsius. Una cifra que deja en evidencia a la mayoría de soluciones comerciales actuales.
Puede parecer un avance más en el mundo de los materiales, pero lo cierto es que estamos ante una pieza clave para sectores donde el calor es el enemigo número uno de los sistemas de almacenamiento, pero también en aquellos que necesitan una entrada y salida de energía extremadamente rápida.
Conviene recordar qué papel juegan estos componentes. A diferencia de las baterías, que liberan energía de forma gradual mediante reacciones químicas, los condensadores se encargan de cargar y descargar energía de manera casi instantánea. Son los responsables de estabilizar el voltaje, apoyar la electrónica de potencia y gestionar picos repentinos de electricidad.
El problema es que la mayoría de los condensadores de polímero disponibles en el mercado empiezan a degradarse por encima de los 100 grados Celsius. Esto obliga a incorporar sistemas de refrigeración adicionales o a sobredimensionar componentes, algo que encarece y complica cualquier diseño, especialmente en un coche eléctrico, donde cada gramo y cada centímetro cuentan.
Aquí es donde entra el trabajo del equipo estadounidense. Su propuesta pasa por combinar dos plásticos de alta resistencia térmica que ya existen en el mercado para crear una aleación polimérica con una estructura interna muy particular. No se trata de una simple mezcla homogénea, sino de un material que se autoorganiza a escala nanométrica formando interfaces tridimensionales estables.
El resultado es un material dieléctrico con una constante dieléctrica de 13,5, frente a valores inferiores a 4 en cada uno de los componentes por separado. Pero más importante aún: mantiene ese rendimiento en un rango que va desde los -100 grados hasta los mencionados 250 grados. Es decir, funciona prácticamente en cualquier escenario imaginable para la automoción o la industria.
Cuatro veces más energía… o el mismo rendimiento en un tamaño cuatro veces menor
La implicación práctica es clara. Con este nuevo material, los dispositivos pueden almacenar cuatro veces más energía en el mismo espacio. O, si se prefiere, mantener el mismo rendimiento ocupando solo una cuarta parte del volumen actual.
Esto puede traducirse en una densidad ya compatible con aplicaciones como las baterías de los coches eléctricos, que podrán acceder a sistemas de electrónica de potencia más compactos, ligeros y eficientes. Pensemos en el inversor, el cargador interno o los sistemas de gestión del motor: todos dependen de condensadores capaces de trabajar con altas tensiones y temperaturas. Si estos componentes dejan de ser un cuello de botella térmico, el diseño completo del sistema puede optimizarse.
Según explica uno de los investigadores, muchos avances en sistemas completos para coches eléctricos, centros de datos o incluso exploración espacial se ven limitados por los propios condensadores de polímero. Los modelos convencionales necesitan refrigeración constante para no degradarse. Con esta nueva solución, ese problema se reduce drásticamente, y además se multiplica por cuatro la densidad energética disponible.
La razón por la que los condensadores tradicionales fallan a altas temperaturas está en su estructura molecular. Sus largas cadenas poliméricas alcanzan el llamado punto de transición vítrea y se vuelven frágiles. A medida que sube la temperatura, aumenta la fuga de carga y el rendimiento cae en picado.
El equipo abordó esta debilidad mezclando dos polímeros resistentes al calor, PEI y PBPDA. En lugar de fundirse completamente en una sola fase, permanecen parcialmente inmiscibles. Esto genera interfaces tridimensionales a escala nanométrica que actúan como barreras frente a las fugas de carga.
Las imágenes microscópicas y los modelos computacionales confirmaron que estas nano-interfaces bloquean el movimiento indeseado de cargas eléctricas. Así se logra algo que hasta ahora parecía incompatible en un único polímero dieléctrico: alta densidad energética y gran tolerancia térmica al mismo tiempo.
Y hay otro detalle importante: los materiales empleados son económicos y ya están disponibles comercialmente. No hablamos de compuestos exóticos ni de procesos imposibles de escalar. La fabricación de las películas se realiza mediante un proceso relativamente sencillo, lo que facilita su producción a gran escala.
El equipo ya ha solicitado una patente y trabaja en la comercialización de la tecnología. Los resultados se han publicado el 18 de febrero en la revista Nature, lo que da una idea del nivel científico del avance.
Fuente | PSU
