.

Cambio Climático

Nanocondensadores con gran almacenamiento de energía

1

Los conjuntos de nanoporos combinan alta potencia y capacidad de almacenamiento.

  • por Katherine Bourzac | traducido por Rubén Oscar Diéguez (Opinno)
  • 17 Marzo, 2009

El dispositivo electrónico supremo de almacenamiento de energía almacenaría mucha energía, y también se cargaría con rapidez y abastecería ráfagas potentes cuando fuera necesario. Pero los dispositivos actuales sólo pueden hacer una cosa o la otra: los condensadores ofrecen alta potencia, mientras que las baterías ofrecen mucho almacenamiento.

Ahora, investigadores de la Universidad de Maryland (Estados Unidos) han desarrollado un tipo de condensador que reúne ambas cualidades. La investigación está en sus primeras etapas y tendrá que ampliarse al dispositivo para que sea práctico, pero los resultados iniciales muestran que puede almacenar 100 veces más energía que los dispositivos anteriores de este tipo. A la larga, dichos dispositivos podrían almacenar los aumentos repentinos de energía procedente de fuentes renovables, como el viento, e incorporar esa energía a la red eléctrica cuando fuera necesario. También podrían impulsar a los coches eléctricos (que se recargan) en el tiempo que se tarda para llenar un tanque de gas, en lugar de las seis a ocho horas que tarda actualmente la recarga.

Hay muchos tipos diferentes de baterías y de condensadores pero, en general, aunque las baterías pueden almacenar grandes cantidades de energía, tienden a cargarse lentamente y a agotarse rápidamente. Los condensadores, mientras tanto, tienen una vida útil más larga pero almacenan mucha menos energía total. Los electroquímicos y los ingenieros han estado trabajando para resolver este problema de almacenamiento al mejorar la energía de las baterías y aumentar la capacidad de almacenamiento de los condensadores.

Sang Bok Lee, profesor de química, y Gary Rubloff, profesor de ingeniería y director del NanoCentro de Maryland (Estados Unidos), crearon conjuntos nanoestructurados de condensadores electrostáticos. Los condensadores electrostáticos son el tipo más simple de dispositivo electrónico de almacenamiento de energía, según Rubloff. Almacenan carga eléctrica en la superficie de dos electrodos metálicos separados por un material aislante; su capacidad de almacenamiento es directamente proporcional al área de superficie de los electrodos de tipo sandwich. Los investigadores de Maryland mejoraron la capacidad de almacenamiento de sus condensadores al usar nanofabricación para aumentar su área de superficie total. Sus electrodos funcionan de la misma manera que los que se encuentran en los condensadores convencionales, pero en lugar de ser chatos, son tubulares y se alojan en el interior de los nanoporos.

El proceso de fabricación comienza con una placa de vidrio recubierta con aluminio. Los poros se graban en la placa mediante un tratamiento con ácido y la aplicación de una corriente. Es posible crear conjuntos muy regulares de poros diminutos pero profundos, cada uno tan pequeño como de 50 nanómetros de diámetro y hasta 30 micrómetros de profundidad, controlando cuidadosamente las condiciones de la reacción. El proceso es similar al que se utiliza para hacer los chips de memoria. "Luego depositas una capa muy delgada de metal, entonces una fina capa de aislante, y luego otra capa delgada de metal en estos poros", explica Rubloff. Estas tres capas actúan como los electrodos del nanocondensador y la capa aislante. Una capa de aluminio se pone sobre la parte superior del dispositivo y sirve de contacto eléctrico; el otro contacto se hace con la capa subyacente de aluminio.

Esta "estructura semejante a un fractal aumenta enormemente el área de superficie", afirma Joel Schindall, director asociado del Laboratorio para Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos del Instituto Tecnológico de Massachusets (Estados Unidos), que no participó en el estudio.

En un documento publicado en línea esta semana en la revista Nature Nanotechnology, el grupo de Maryland describe haber hecho conjuntos de un ancho de 125 micrómetros, cada uno con un millón de nanocondensadores. El área de superficie de cada conjunto es 250 veces mayor que la de un condensador convencional de tamaño comparable. La capacidad de almacenamiento de los conjuntos es de alrededor de unos 100 microfaradios por centímetro cuadrado.

Pero él área de superficie no es el único determinante de la densidad de energía. Los nanocondensadores del grupo de Maryland también se benefician del espacio ínfimo entre sus electrodos, y la labor fue única en este sentido, expresa Robert Hebner, director del Centro de Electromecánica en la Universidad de Texas en Austin (Estados Unidos). Hebner no participó en la investigación de Maryland.

Si los electrodos están muy alejados, las cargas semejantes sobre sus superficies  se repelerían fuertemente entre sí. Cuando los electrodos se colocan más cerca, las cargas negativas y positivas de cada lado equilibran estas fuerzas que se rechazan, y se puede almacenar más carga total en una zona dada. El espesor total de cada nanocondensador es de tan sólo 25 nanómetros, y las cargas se pueden aglomerar muy juntas. "Es impresionante", afirma Hebner. "Espero que puedan ampliar la escala".

Hasta ahora, los conjuntos de nanocondensadores no pueden almacenar mucha energía total por ser tan pequeños. "En lugar de hacer estos puntos pequeños, queremos hacer un área grande que contenga miles de millones de nanocondensadores para almacenar grandes cantidades de energía", señala Lee. Tanto él como Rubloff aseguran que la ampliación a un nivel práctico no es trivial, pero ambos están trabajando juntos para crear conjuntos más grandes. "Hay muchas tems relacionados con la ampliación de escala", acota Rubloff. "Veremos cómo lo podemos aumentar y que todavía funcione", sentencia.

Aunque este problema se resolviera, todavía tendrán que asegurarse de poder conectar varios conjuntos uno al otro en forma efectiva. Pero Hebner opina que este problema no es inextricable, y señala dispositivos en el mercado, incluso detectores magnéticos sensibles, que superan con éxito problemas de conectividad similares.

Una de las ventajas del nuevo método de fabricación es que las dimensiones del nanoporo y los espesores respectivos de los electrodos y del aislante se pueden controlar cuidadosamente. "La regularidad y la uniformidad son fundamentales para ampliar las nanotecnologías hasta algo que se pueda fabricar y comercializar", asegura Rubloff. "Todavía existen grandes obstáculos, así que estamos tratando de decidir la forma de comercializar esto porque definitivamente existe la necesidad de hacerlo", conlcuye.

Cambio Climático

  1. El calentamiento global conduce al planeta a un punto de no retorno

    Numerosos investigadores afirman en 'Nature' que se está llegando a un punto de inflexión que provocará la destrucción de los ecosistemas naturales. Ese momento provocará a su vez una cascada de acontecimientos que harán el planeta menos habitable, por lo que reclaman medidas drásticas y urgentes

  2. Malas noticias: la revolución del coche eléctrico tardará más de lo previsto

    Así lo afirma un nuevo estudio del MIT, que alerta de que la constante reducción de costes de las baterías se va a detener próximamente debido a la imposibilidad de reducir más el precio de sus materiales. Sin embargo, algunos expertos critican que su informe no tiene en cuenta otras mejoras que se avecinan

  3. La subida del nivel del mar afectará a cientos de millones de personas más de lo esperado

    Las cifras anteriores se basaban en un mapa tridimensional cuyas medidas no eran correctas, según revela una investigación en 'Nature Communications'. El nuevo mapa creado para mejorar la precisión de las estimaciones revela que el número de personas vulnerables es mucho mayor de lo que se creía