Development of thermoplastic composites with energy storage capacity for aeronautical applications




=1. Introducción=

La transición hacia sistemas de transporte eléctricos ha intensificado la necesidad de materiales avanzados capaces de reducir el peso de los vehículos sin comprometer el rendimiento energético. En este contexto, los supercondensadores estructurales (SSCs) han surgido como una tecnología prometedora que combina simultáneamente capacidad de carga mecánica con almacenamiento electroquímico de energía. Esta doble funcionalidad puede suponer una transformación significativa en el diseño de vehículos eléctricos y aeronaves, donde el peso de las baterías puede representar hasta un 26 % del peso total del vehículo [1].

El enfoque tradicional de los sistemas energéticos se basa en componentes monofuncionales: estructuras que soportan carga por un lado y sistemas electroquímicos por otro. Esta estrategia introduce redundancias que penalizan el peso total. Frente a esto, los SSCs presentan una solución holística en la que los materiales actúan simultáneamente como electrodos y componentes estructurales [1].

A diferencia de las baterías, los supercondensadores no dependen de reacciones químicas lentas y presentan una alta densidad de potencia, lo que permite cargas y descargas rápidas, además de una mayor durabilidad. En particular, los SSCs pueden considerarse una evolución de los supercondensadores de doble capa (EDLC), integrando conceptos de diseño estructural con principios de electroquímica [2].

Electrodos estructurales: un compromiso entre rigidez y superficie activa

El uso de tejidos de fibra de carbono (WCF) como electrodos estructurales es común debido a su alta rigidez específica. Sin embargo, su baja área superficial limita su rendimiento como material activo. Diversas estrategias han abordado este reto mediante la modificación superficial de las fibras. Por ejemplo, recubrimientos de grafeno activado o aerogeles de carbono (CAG) han sido utilizados para mejorar la capacitancia sin comprometer la integridad estructural [2].

Qian et al. demostraron que al integrar CAG entre capas de WCF, se alcanzan valores de capacitancia aceptables junto con una excelente cohesión mecánica [3]. Asimismo, se han explorado decoraciones con óxidos metálicos como ZnO, NiCo₂O₄ o SnO₂, que mejoran el almacenamiento gracias a mecanismos pseudocapacitivos [4]. Kwon et al., por ejemplo, lograron mejorar la respuesta electroquímica sin comprometer la rigidez al utilizar nanovarillas de SnO₂ en la superficie del electrodo [5].

También se han empleado materiales híbridos, como redes de nanofibras de aramida con grafeno o nanotubos de carbono, que ofrecen excelentes propiedades mecánicas junto con altas capacitancias específicas [6].

Electrolitos estructurales: entre conductividad iónica y módulo elástico

El electrolito estructural es clave en el rendimiento multifuncional de un SSC. A diferencia de los electrolitos líquidos, estos deben proporcionar rigidez mecánica al compuesto. Existen dos enfoques principales: electrolitos bifásicos (dual phase) y electrolitos sólidos compuestos.

Los sistemas bifásicos, como los desarrollados por Shirshova et al., se basan en una red epoxi bicontinua que contiene un líquido iónico (por ejemplo, EMIM-TFSI), permitiendo alcanzar conductividades >0.2 mS/cm junto con módulos >700 MPa [7]. Este tipo de formulaciones puede ser procesado mediante técnicas industriales como infusión al vacío, facilitando su integración en composites estructurales.

Otra estrategia es el uso de electrolitos sólidos reforzados, como resinas epoxi dopadas con nano-TiO₂, que mejoran el módulo sin afectar excesivamente la conductividad [8]. Algunos autores han logrado módulos de hasta 110 MPa con una conductividad de 0.34 mS/cm, demostrando el potencial de estos sistemas para integrarse en dispositivos resistentes y funcionales [9].

También se han investigado membranas híbridas de celulosa, PEO o PET cargadas con sales de litio o líquidos iónicos [10]. Aunque estas soluciones suelen presentar menor conductividad, su sencillez y bajo coste las hacen atractivas para ciertas aplicaciones.

Una cuestión clave es el contenido de humedad en los líquidos iónicos. Aunque la presencia de agua puede aumentar la conductividad iónica, también reduce la ventana electroquímica y puede comprometer la estabilidad del composite [11].

Separadores estructurales: seguridad eléctrica y carga mecánica

El separador cumple un papel crucial en los SSCs al prevenir cortocircuitos entre electrodos, permitir el paso iónico y transmitir esfuerzos mecánicos. La mayoría de los estudios emplean velos de fibra de vidrio tejida, que ofrecen buena integridad estructural y compatibilidad con matrices epoxi [8].

Sin embargo, alternativas como membranas de Celgard o papeles de filtro también han sido evaluadas, aunque presentan limitaciones como menor adhesión y obstrucción de poros por el electrolito estructural [8]. Algunos estudios han explorado velos cerámicos o polímeros electrohilados, pero estos materiales tienden a ser menos eficientes en cuanto a resistencia o conducción [12].

Una propuesta innovadora de Hubert et al. fue el desarrollo de SSCs sin separador, en los que la distancia entre electrodos es controlada mediante el grosor del electrolito estructural. Aunque esto simplifica el diseño, implica limitaciones en términos de volumen de fibra y riesgo de contacto entre electrodos [8].

Fabricación y caracterización

El ensamblaje de los SSCs implica retos particulares, como el control de la humedad (crítico para electrolitos basados en líquidos iónicos) y la consolidación a baja temperatura para evitar daños en los separadores. La caracterización implica pruebas combinadas: ensayos electroquímicos como GCD y EIS, y pruebas mecánicas como tracción y cizalladura, esta última especialmente relevante para evaluar la interfaz fibra-matriz.

=2. Concept de RE-CELL=

RE-CELL es un proyecto nacional financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI), donde AIMPLAS presenta un enfoque integral para el desarrollo de composites avanzados capaces de almacenar energía en aplicaciones no-criticas aeronáuticas. Este enfoque rompe con el paradigma tradicional de composites monofuncionales, ofreciendo una vía para reducir peso, volumen y complejidad de sistemas en aplicaciones exigentes como aeronáutica.

En primer punto en el que se fundamenta el proyecto es el reciclado y revalorización de fibras de carbono de la industria aeronáutica. Este material, admirado por su alta resistencia, rigidez específica y bajo peso, se ha convertido en un pilar tecnológico esencial. Sin embargo, también representa un reto importante en términos de sostenibilidad. En este contexto, el reciclaje de fibra de carbono no es solo una opción deseable, sino una necesidad estratégica. Por un lado, permite reducir los costes de producción al recuperar fibras que mantienen una fracción significativa de sus propiedades originales. Por otro, alarga la vida útil de un material cuya degradación natural es extremadamente lenta y que, de no ser tratado, terminaría acumulándose en vertederos o siendo incinerado, ambas opciones poco sostenibles.

Además, el auge de la economía circular y las regulaciones medioambientales más estrictas están empujando a las industrias a repensar el ciclo de vida de los materiales avanzados. Por ello, RE-CELL va un paso más apostando por la utilización de resinas termoplásticas como matrices en composites estructurales funcionales con capacidad de almacenaje de energía.

Una de las principales virtudes de las resinas termoplásticas radica en su reciclabilidad inherente. A diferencia de las termoestables, que al curarse generan redes tridimensionales irreversibles, las termoplásticas pueden fundirse, remodelarse y reprocesarse sin perder sus propiedades fundamentales. Este comportamiento las convierte en materiales intrínsecamente circulares, adecuados para un modelo de producción más sostenible, especialmente relevante en sectores con altos volúmenes de residuos como el aeronáutico.

Además, las termoplásticas permiten una reparabilidad y soldabilidad sin precedentes. Al poder fundirse localmente mediante calor, es posible realizar reparaciones in situ o unir componentes sin necesidad de adhesivos adicionales. Esta capacidad no solo simplifica el mantenimiento de estructuras complejas, sino que también ofrece oportunidades de diseño más flexibles, por ejemplo, en componentes aeronáuticos que deben ensamblarse o adaptarse a posteriori. Cabe destacar también su compatibilidad con procesos de fabricación automatizados y de alta productividad, como la termoconformación, lo que acelera los ciclos de producción y abre nuevas vías para la industrialización de composites multifuncionales.

En resumen, RE-CELL aspira a transformar residuos de fibra de carbono en componentes estructurales multifuncionales, contribuyendo a la reducción de residuos y al desarrollo de soluciones energéticas más sostenibles.

=3. Planteamiento experimental =

Se prevé, por tanto, un experimental enfocado al reciclado de residuos ya curados como el de excedente de preimpregnados utilizados en la fabricación de componentes aeronáuticos. Para ello, se ha planteado el método de reciclado de fibras por solvólisis donde se pretende evaluar diferentes métodos para la disolución de la resina Epoxi mostrados en la <span id='cite-_Ref198296597'></span>[[#_Ref198296597|Tabla 1]]. Tras la obtención de las fibras recicladas serán caracterizadas por microscopia SEM para determinar el grado de residuos o degradación superficial.

<span id='_Ref198296597'></span>Tabla 1:métodos planteados para disolución por solvólisis de resina Epoxi y recuperación de fibra de carbono.

{| style="width: 100%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|SOLVOLISIS
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Cantidad resina (g) '''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Cantidad disolvente (mL)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Cantidad catalizador (g)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Temp. (°C)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Tiempo (h)'''
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|DMSO + KOH
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|10
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|200
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|6
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|130
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|3
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|PEG200 + NaOH
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|10
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|200
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|4
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|180
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|3
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|H2SO4 (18 M)
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|10
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|200
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|70
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|3
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|Peracetico
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|10
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|200
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|70
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|3
|}


A continuación, se han de probar diferentes métodos para dispersar las fibras en disolución y filtrarlas para la obtención de fieltros de fibra aleatoriamente distribuida los cuales pasarán a ser utilizados como electrodos. Las fibras serán funcionalizadas con partículas carbonosas y/o MXenes para aumentar su conductividad eléctrica y superficie especifica mejorando la capacidad de carga y el flujo electrónico ya que dichas fibras realizarán la doble función estructural y de electrodos.

Para la fabricación de los electrolitos se emplearán los líquidos iónicos (ILs) N-Propyl-N-methylpyrrolidinium Bis(fluorosulfonyl)imide ([C3mpyr][FSI]) y N-Trimethyl-N-propylammonium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ([TMPA][TFSI]) dada su buena estabilidad térmica. También se empleará titanato de bario (BaTiO<sub>3</sub>) para la mejora de propiedades dieléctricas del electrolito siguiendo especificaciones de diseño obtenidas de la bibliografía .

Se empleará policarbonato (PC) como matriz termoplástica para la síntesis de electrolitos sólidos mediate procesos de extrusión donde la matriz será aditivada con diferentes ratios de ILs y BaTiO<sub>3</sub>. Posteriormente se fabricarán finas láminas que se emplearán para impregnar tejido de fibra de vidrio mediante termolaminado, para así obtener láminas con una doble función de electrolito y separador.

{| style="width: 73%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"| 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''E1 (wt%)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''E2 (wt%)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''E3 (wt%)'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''E4 (wt%)'''
|-
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|PC
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|68
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|65
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|68
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|65
|-
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|[C3mpyr][FSI]
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|32
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|30
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|
|-
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|[TMPA][TFSI]
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|32
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|30
|-
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|BaTiO3
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|5
|  style="border: 1pt solid black;vertical-align: top;"|
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|5
|}


<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Tabla 2: Composición de los electrolitos sólidos propuestos.</div>

Por último, ambos elementos, electrodo y electrolito se integrarán y unirán a colectores de corriente de cobre mediante moldeo por compresión quedando las celdas estructurales listas para su caracterización tanto mecánica (tracción, flexión, delaminación) como electroquímica (espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y''' '''ciclovoltometria (CV)). El proyecto prevé el escalado de los laminados multifuncionales con mejor balance de propiedades mecánicas y electroquímicas, para así, obtener un demostrador basado en la geometría de una pieza real de un fuselaje aeronáutico.

=4. Bibliografía=

[1] Greenhalgh, E. S.; Nguyen, S.; Valkova, M.; Shirshova, N.; Shaffer, M. S. P.; Kucernak, A. R. J. A Critical Review of Structural Supercapacitors and Outlook on Future Research Challenges. ''Compos. Sci. Technol.'' 2023, ''235'', 109968. [https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109968 https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109968]<br/>

[2] Sánchez-Romate, X. F.; Del Bosque, A.; Artigas-Arnaudas, J.; Muñoz, B. K.; Sánchez, M.; Ureña, A. A Proof of Concept of a Structural Supercapacitor Made of Graphene Coated Woven Carbon Fibers: EIS Study and Mechanical Performance. ''Electrochim. Acta'' 2021, ''370'', 137746. [https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.137746 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.137746]<br/>

[3] Qian, H.; Kucernak, A. R.; Greenhalgh, E. S.; Bismarck, A.; Shaffer, M. S. P. Multifunctional Structural Supercapacitor Composites Based on Carbon Aerogel Modified High Performance Carbon Fiber Fabric. ''ACS Appl. Mater. Interfaces'' 2013, ''5'', 6113–6122. [https://doi.org/10.1021/am400947j https://doi.org/10.1021/am400947j]<br/>

[4] Huang, F.; Zhou, Y.; Sha, Z.; Peng, S.; Chang, W.; Cheng, X.; Zhang, J.; Brown, S. A.; Han, Z.; Wang, C. H. Surface Functionalization of Electrodes and Synthesis of Dual-Phase Solid Electrolytes for Structural Supercapacitors. ''ACS Appl. Mater. Interfaces'' 2022, ''14'', 30857–30871. [https://doi.org/10.1021/acsami.2c06303 https://doi.org/10.1021/acsami.2c06303]<br/>

[5] Kwon, O.; Deka, B. K.; Kim, J.; Park, H. W. Electrochemical Performance Evaluation of Tin Oxide Nanorod-Embedded Woven Carbon Fiber Composite Supercapacitor. ''Int. J. Energy Res.'' 2018, ''42'', 490–498.[https://doi.org/10.1002/er.3827 https://doi.org/10.1002/er.3827]<br/>

[6] Patel, A., Loufakis, D., Flouda, P., George, I., Shelton, C., Harris, J., Oka, S. and Lutkenhaus, J.L., 2020. Carbon nanotube/reduced graphene oxide/aramid nanofiber structural supercapacitors. ''ACS Applied Energy Materials'', ''3''(12), pp.11763-11771.

[7] Shirshova, N.; Qian, H.; Houlle, M.; Steinke, J. H. G.; Kucernak, A. R. J.; Fontana, Q. P. V.; Greenhalgh, E. S.; Bismarck, A.; Shaffer, M. S. P. Multifunctional Structural Energy Storage Composite Supercapacitors. ''Faraday Discuss.'' 2014, ''172'', 81–103. [https://doi.org/10.1039/C4FD00055B https://doi.org/10.1039/C4FD00055B]<br/>

[8] Deka, B. K.; Hazarika, A.; Kwon, O.; Kim, D. Y.; Park, Y. B.; Park, H. W. Multifunctional Enhancement of Woven Carbon Fiber/ZnO Nanotube-Based Structural Supercapacitor and Polyester Resin-Domain Solid-Polymer Electrolytes. ''Chem. Eng. J.'' 2017, ''325'', 672–680. [https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.05.093 https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.05.093]<br/>

[9] Feng, Q.; Yang, J.; Yu, Y.; Tian, F.; Zhang, B.; Feng, M.; Wang, S. The Ionic Conductivity, Mechanical Performance and Morphology of Two-Phase Structural Electrolytes Based on Polyethylene Glycol, Epoxy Resin and Nano-Silica. ''Mater. Sci. Eng. B'' 2017, ''219'', 37–44. [https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.03.001 https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.03.001]

[10] Pal, B.;Yang, S.; Ramesh,S, Electrolyte selection for supercapacitive devices: a critical review. ''Nanoscale Adv.'' 2019, ''10'', 3807–3835. [https://doi.org/10.1039/c9na00374f https://doi.org/10.1039/c9na00374f]<br/>

[11] Gouverneur, M.; Kopp, J.; Van Wüllen, L.; Schönhoff, M. Direct Determination of Ionic Transference Numbers in Ionic Liquids by Electrophoretic NMR. ''Phys. Chem. Chem. Phys.'' 2015, ''17'', 30680–30686.[https://doi.org/10.1039/c5cp05753a https://doi.org/10.1039/c5cp05753a]<br/>

[12] Hubert, O.; Todorovic, N.; Bismarck, A. Towards Separator-Free Structural Composite Supercapacitors. ''Compos. Sci. Technol.'' 2022, ''217'', 109126. [https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109126 https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109126]