Actualmente, la civilización humana tiene una gran necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía que brinden una alta eficiencia y que no representen una amenaza contra el medio ambiente.
A raíz de esta situación, varios investigadores están la búsqueda de nuevas opciones tecnológicas que puedan suplir las necesidades energéticas de la industria y usuarios de diferentes dispositivos electrónicos como smartphones, laptops o vehículos eléctricos.
En el marco de esta apuesta, Yang Shao-Horn, ingeniera metalúrgica, ha hecho un hallazgo que podría marcar una importante revolución en el actual panorama energético global.
La ingeniera china ha encontrado una modalidad más eficiente para almacenar y utilizar la electricidad, mediante un nuevo tipo de batería o supercondensador, el cual está fabricado por componentes que se pueden encontrar de forma sencilla en cualquier parte del mundo.
Se trata de un nuevo tipo de batería que está fabricada con cemento, hollín y agua, productos que están al alcance de cualquier persona y que brindarían una opción más eficiente para almacenar energía.
De acuerdo con el estudio publicado en una reciente edición de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el equipo responsable de la investigación y desarrollo de la batería de cemento afirman que el concreto y hollín tienen una reacción química con el agua que produce un compuesto altamente conductor a una nano escala.
¿Cómo funciona la batería de cemento?
El elemento fundamental de este nuevo tipo de batería es el uso de dos placas conductoras sumergidas en un electrolito, las cuales están separadas por una membrana que ayuda a generar un campo eléctrico cuando se le aplica voltaje. De manera que la superficie de las placas conductoras puede determinar la cantidad de energía que la pila puede guardar.
Así las cosas, estos nuevos supercondensadores pueden convertir el hollín y el cemento con agua en un potente superconductor cuya estructura en forma de fractal le permite albergar varias placas con una enorme área de superficie en un espacio compacto. De modo que este diseño puede convertirse en una alternativa para albergar una gran cantidad de energía de forma sencilla y eficiente.
No obstante, hay que destacar que el trabajo de Yang Shao-Horn y su equipo aún está en una fase experimental y por ello se están desarrollando nuevas pruebas que permitan determinar las modalidades más eficientes para poder aplicar esta tecnología.
Sin embargo, los responsables de este proyecto estiman que su investigación podría generar una potencial respuesta a las necesidades de producir nuevas fuentes de energía renovable, para ciertos sectores de la industria y en el interior de los hogares. De modo que, en un futuro próximo, podría ser una alternativa para ayudar a reducir la emisión de gas carbónico y así construir a la lucha contra el calentamiento global.
Vale la pena subrayar que esta no es la única investigación que se está adelantando en torno a creación de baterías más eficientes. Recientemente un equipo de científicos descubrió que las grietas en las baterías de ion-litio aceleran su proceso de recarga.
En lugar de ser únicamente perjudiciales, las grietas en el electrodo positivo de las baterías de iones de litio reducen el tiempo de carga de la batería.
Esto va en contra de la opinión de muchos fabricantes de vehículos eléctricos, que intentan minimizar el agrietamiento porque disminuye la vida útil de la batería, según muestra una investigación realizada en la Universidad de Michigan.
¿Por qué las grietas en las baterías harían que carguen más rápido?
“Muchas empresas están interesadas en fabricar baterías de ‘millones de kilómetros’ utilizando partículas que no se agrietan. Desafortunadamente, si se eliminan las grietas, las partículas de la batería no podrán cargarse rápidamente sin el área de superficie adicional de esas grietas”, explica en un comunicado Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y autor correspondiente del estudio publicado en Energy & Environmental Science. “En un viaje por carretera, no queremos esperar cinco horas a que se cargue un automóvil. Queremos cargarlo en 15 o 30 minutos”.
El equipo cree que los hallazgos se aplican a más de la mitad de todas las baterías de vehículos eléctricos, en las que el electrodo positivo, o cátodo, está compuesto por billones de partículas microscópicas hechas de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto u óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio.
En teoría, la velocidad a la que se carga el cátodo se reduce a la relación superficie-volumen de las partículas. Las partículas más pequeñas deberían cargarse más rápido que las partículas más grandes porque tienen un área de superficie más alta en relación con el volumen, por lo que los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.
Sin embargo, los métodos convencionales no podían medir directamente las propiedades de carga de las partículas de cátodo individuales, solo el promedio de todas las partículas que forman el cátodo de la batería. Esa limitación significa que la relación ampliamente aceptada entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo era simplemente una suposición.
“Descubrimos que las partículas del cátodo están agrietadas y tienen superficies más activas para absorber iones de litio, no solo en su superficie exterior, sino también dentro de las grietas de las partículas”, dijo Jinhong Min, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales que trabaja en el laboratorio de Li. “Los científicos de baterías saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cómo afecta dicho agrietamiento a la velocidad de carga”.
Medir la velocidad de carga de las partículas individuales del cátodo fue clave para descubrir la ventaja de romper los cátodos, lo que Li y Min lograron insertando las partículas en un dispositivo o matriz que los neurocientíficos suelen utilizar para estudiar cómo las células cerebrales individuales transmiten señales eléctricas.
Cada matriz es un chip de 2 por 2 centímetros diseñado a medida con hasta 100 microelectrodos. Después de dispersar algunas partículas de cátodo en el centro del chip, Min movió partículas individuales a sus propios electrodos en la matriz usando una aguja alrededor de 70 veces más delgada que un cabello humano. Una vez que las partículas estaban en su lugar, Min podía cargar y descargar simultáneamente hasta cuatro partículas individuales a la vez en la matriz y midió 21 partículas en este estudio en particular.
El experimento reveló que las velocidades de carga de las partículas del cátodo no dependían de su tamaño. Li y Min creen que la explicación más probable para este comportamiento inesperado es que las partículas más grandes en realidad se comportan como una colección de partículas más pequeñas cuando se rompen. Otra posibilidad es que los iones de litio se muevan muy rápidamente en los límites de los granos, los diminutos espacios entre los cristales a nanoescala que componen la partícula del cátodo.
Li opina que esto es poco probable a menos que el electrolito de la batería, el medio líquido en el que se mueven los iones de litio, penetre estos límites y forme grietas.
Es importante tener en cuenta los beneficios de los materiales agrietados cuando se diseñan baterías de larga duración con partículas monocristalinas que no se agrietan. Para cargarse rápidamente, es posible que estas partículas deban ser más pequeñas que las partículas de cátodo de craqueo actuales. La alternativa es hacer cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energía más bajas, dijo Li.
*Con información de Europa Press