Disipadores de calor a base de grafito

Uno de los peores enemigos a los que se enfrenta una batería, (cualquiera sea su naturaleza) en especial las basadas en Iones de Litio, es el calor. La premisa fundamental que todo diseñador electrónico respeta es evitar que una célula de batería se caliente demasiado, ya que este acontecimiento degrada el rendimiento de la batería y en consecuencia, su vida útil se reduce. Los teléfonos móviles y coches eléctricos (aunque no lo parezca) tienen mucho en común y la utilización de difusores de calor basados en grafito están comenzando a ganar terreno por sobre el aluminio y el cobre, logrando mantener los sistemas energéticos libres de altas temperaturas.

La idea elemental es evitar que le calor alcance las células de baterías. En los modernos teléfonos móviles, las enormes pantallas táctiles generan una acumulación de temperatura que debe ser tomada de los componentes, y alejarla hacia el exterior evitando que llegue a las baterías. Para esto se utilizan “difusores de calor” que ayudan a distribuir, valga la redundancia, el calor de manera tan uniforme como sea posible por todo el equipo y mantener la temperatura de la pantalla táctil dentro de parámetros cómodos de trabajo y por sobre todo, seguros. El iPhone es un claro ejemplo donde este tipo de difusores comienzan a escalar posiciones por sobre los clásicos disipadores de aluminio y cobre. Del mismo modo, los coches eléctricos deben conservar este principio de diseño y la tecnología desarrollada para los teléfonos podría ayudar a allanar el camino para lograr coches eléctricos más potentes y con mejor rendimiento. Observando este escenario, uno de los mayores productores de carbono y de grafito del mundo, GrafTech International, ha comenzado a estudiar al mundo de los vehículos eléctricos como una nueva oportunidad donde los mismos  materiales encargados de manejar el calor, en la pequeña estructura de un teléfono móvil, puedan mejorar el desempeño de los futuros coches eléctricos.

GrafTech International es un proveedor a gran escala de electrodos de grafito y ha sido protagonista de la fabricación de materiales flexibles de grafito desde 1960. En electrónica, GrafTech vio por primera vez sus difusores de calor de grafito utilizados en televisores de pantalla plana, y más tarde en ordenadores portátiles y teléfonos inteligentes, incluyendo el iPhone de Apple. Tal como Julian Norley, un alto miembro corporativo de GrafTech, explicó en una entrevista, “Se puede tomar el calor de cualquiera de los componentes y de manera sencilla, conducirlo y transportarlo hacia afuera.” Hoy, GrafTech está centrando sus estudios en el proceso de desarrollo de difusores de calor capaces de proteger las baterías de los futuros vehículos eléctricos en 2014. Más allá de este ambicioso horizonte, luego de su desembarco en los vehículos eléctricos, la compañía estudia ampliar sus trabajos con difusores de carbono y materiales a base de grafito para aplicaciones que van desde la iluminación de estado sólido, semiconductores,  células de combustible y hasta reactores nucleares.

El aluminio y el cobre fueron los difusores de calor tradicionales de la electrónica desde siempre por su bajo costo, alta conductividad de calor y bajo peso. Sin embargo, el grafito posee menor peso y mayor conductividad térmica que el metal que imaginemos y ha provocado el desplazamiento del aluminio y del cobre del “extremo más alto del rendimiento.” Los fabricantes del EV (GM) y sus proveedores de baterías, suelen utilizar divisores de aluminio relativamente gruesos entre las células y los sistemas motrices intentando alcanzar una solución térmica efectiva, además de contar con una refrigeración por líquido o sistema de aire forzado. Por lo tanto, existen muchas posibilidades de que soluciones a base de grafito puedan, al menos en teoría, manejar la misma cantidad de calor con un volumen mucho menor de aluminio que el utilizado en la actualidad (o de manejar mucho más calor con el mismo volumen de difusor). Basados en modelos internos, Norley dijo que el peso combinado de difusores de calor en un paquete de baterías de automóviles típico podría reducirse en un 75% cuando se utilizan materiales de grafito, en lugar de aluminio.

Comparando el tamaño que se podría reducir en los difusores de calor con la cantidad de celdas de baterías que se podrían agregar, los números no son demasiado grandes como para que cualquiera pueda asombrarse. Sin embargo, cualquier fabricante de baterías estaría dispuesto a pagar mucho dinero por hallar alguna fórmula mágica que le permita incrementar el rendimiento de sus productos en un 7%. Este número puede aparentar ser muy pequeño, pero en un coche eléctrico pueden significar muchos kilómetros hasta alcanzar una estación de recarga, además de prolongar la vida útil de las baterías en más de un año. Por ahora, en que las baterías significan un 40 a 50% del costo total de un coche eléctrico, el bajo costo del aluminio sigue llevando ventajas por sobre el grafito, máxime aún en que la industria está trabajando muy duro en controlar los costos. Sin embargo, los materiales de gestión térmica ofrecen una “gran oportunidad en el futuro“, ya que ellos se sientan en la intersección de dos industrias en crecimiento: la electrónica de potencia y el almacenamiento de energía. A medida que el costo de las baterías disminuya se creará “un respiro” para las compañías de automóviles y será momento de comenzar a ensayar con los difusores de calor de grafito.

Cualquier fabricante de baterías estaría dispuesto a pagar mucho dinero por hallar alguna fórmula mágica que le permita incrementar el rendimiento de sus productos en un 7%

Además de GrafTech, empresas como Leyden Energy ya están utilizando láminas de grafito en las baterías de Litio-Ion.  En el futuro, los materiales de grafito flexible podrían enfrentarse a la dura competencia del grafeno (una hoja de un solo átomo de espesor de carbono), material que Intel está desarrollando para su uso en disipadores de calor dedicados a los chips de ordenador. Ante este panorama, los productores de aluminio saben que no pueden quedarse de brazos cruzados ya que la industria del aluminio no querrá perder un mercado en continuo crecimiento. Así como el aluminio está bajo la presión de los nuevos materiales, se espera un mayor rendimiento gracias a aleaciones de aluminio, próximas a aparecer en el mercado. De lo contrario, sucedería lo que ocurrió en el segmento de la industria aeroespacial, cuando la fibra de carbono comenzó a competir con el aluminio. Hasta el momento, GrafTech ha puesto a prueba sus materiales en las baterías de una bicicleta eléctrica y una motocicleta eléctrica (este último en colaboración con la Universidad Estatal de Ohio). Hasta la fecha de hoy, las tecnologías tradicionales son el mayor competidor de los difusores de calor de grafito dentro de las aplicaciones de los vehículos eléctricos. Trabajar con grafito requiere del conocimiento de un nuevo material y una nueva forma de hacer las cosas.  Ese es el reto que enfrenta GrafTech dentro de la electrónica de consumo con sus difusores de calor de grafito ya instalados en nuestros teléfonos móviles.