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Las nanoflores mejoran los ultracondensadores
Imagina la batería de un teléfono celular que se recarga en unos segundos y que nunca tendrás que reemplazar. Esa es la promesa de los dispositivos de almacenamiento de energía conocidos como ultracondensadores, pero en la actualidad, solo pueden almacenar alrededor del 5 por ciento de la energía que tienen las baterías de iones de litio. Un avance de los investigadores del Instituto de Investigación de Defensa Química, en China, podría impulsar la capacidad de los ultracondensadores para almacenar energía.
Poder de las nanoflores: Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra una nanopartícula de óxido de manganeso con forma de flor depositada en la unión de nanotubos de carbono cruzados. Utilizado como material de electrodo, este compuesto de nanotubos, óxido de manganeso podría mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de los ultracondensadores, que prometen ser reemplazos potentes y duraderos de las baterías.
Un capacitor consta de dos electrodos con cargas opuestas, a menudo separados por un aislante que evita que los electrones salten directamente entre ellos. Los investigadores han desarrollado un electrodo que puede almacenar el doble de carga que los electrodos de carbón activado que se utilizan en los ultracondensadores actuales. El nuevo electrodo contiene nanopartículas de óxido de manganeso en forma de flor depositadas en nanotubos de carbono de crecimiento vertical.
Los electrodos entregan cinco veces más energía que los electrodos de carbón activado, dice Hao Zhang, autor principal de la Nano letras documento que describe el nuevo trabajo. La longevidad del electrodo también se compara con la de los electrodos de carbón activado, dice Zhang: descargar y recargar los electrodos 20.000 veces redujo la capacidad de almacenamiento de energía del condensador en solo un 3 por ciento.
En un ultracondensador típico, dos electrodos de aluminio están suspendidos en un electrolito. Un voltaje aplicado a los electrodos separa los iones positivos y negativos del electrolito, que son atraídos por los electrodos con carga opuesta. La cantidad de energía que puede almacenar el ultracondensador depende en gran medida del área de superficie de los electrodos: cuanto más área, más espacio para almacenar carga. Recubrir los electrodos con carbón activado aumenta su área de superficie, ya que una cucharadita del material poroso y esponjoso tiene aproximadamente la superficie de un campo de fútbol. Los ultracondensadores pueden almacenar millones de veces más energía que los diminutos condensadores que se utilizan en los circuitos electrónicos.
Pero su rendimiento aún palidece frente al de las baterías, que almacenan energía mediante reacciones químicas. Si te diera un teléfono celular con una batería de ultracondensador, nunca reemplazarías la batería y podrías recargarla en unos segundos, pero solo duraría media hora, dice. Joel Schindall , profesor de ingeniería eléctrica en el MIT.
Hasta ahora, los ultracondensadores se han limitado a aplicaciones de nicho que requieren alta potencia y recargas rápidas y repetitivas. Por ejemplo, los dispositivos proporcionan ráfagas rápidas de energía a autobuses, camiones y trenes ligeros en tramos cortos, y el frenado los reabastece. Sin embargo, si pudieran almacenar más energía, podrían ser un reemplazo poderoso y duradero para las baterías de los vehículos eléctricos híbridos y los dispositivos electrónicos portátiles.
Los investigadores han buscado durante mucho tiempo impulsar el almacenamiento de energía en ultracondensadores mejorando el diseño de electrodos. Schindall y sus colegas están tratando de hacer electrodos recubiertos con nanotubos de carbono, que tienen una superficie mayor que el carbón activado y son excelentes conductores. Otros grupos de investigación están utilizando mejores materiales de almacenamiento de carga, como el óxido de manganeso y los polímeros conductores.
El nuevo electrodo combina las ventajas de estos dos métodos. Primero, los investigadores cultivan una serie de nanotubos de carbono en una lámina hecha de tántalo metálico, que se usa comúnmente en los condensadores. Luego, cultivan nanopartículas en forma de flor de 100 nanómetros de ancho directamente en la matriz. Los nanotubos crecen más o menos verticalmente, pero no son muy rígidos y tienden a caer unos sobre otros. Las nanoflores crecen principalmente en las uniones de varios nanotubos y tienen una gran superficie (236 metros cuadrados por gramo) en comparación con las partículas típicas de óxido de manganeso.
Cada nanoflor de óxido de manganeso está conectada directamente con la lámina de tantalio por dos o más superautopistas de electrones, los nanotubos de carbono, dice Gaoping Cao, co-líder de Zhang en el proyecto. Esta red de conducción superior permite un transporte de carga eficiente. Cuando la corriente fluye a través de la lámina de tántalo, las cargas se transfieren rápidamente y se almacenan en el óxido de manganeso: el electrodo almacena el doble de carga que el mismo volumen de carbón activado. La alta conductividad de los nanotubos también podría darles una mayor potencia de salida que la que tienen los ultracondensadores actuales, dicen los investigadores.
La forma de cultivar óxido de manganeso en matrices de nanotubos de carbono es nueva y ha producido hermosas estructuras, dice Yury Gogotsi , profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en la Universidad de Drexel. Gogotsi dice que combinar la alta conductividad de los nanotubos de carbono con la capacidad de almacenamiento de carga del óxido de manganeso es un enfoque atractivo. Pero, agrega, no es práctico para grandes volúmenes, como las aplicaciones automotrices, porque el uso de matrices de nanotubos de carbono y láminas de tantalio las encarece.
De hecho, dice Schindall, el costo podría ser la principal barrera para los ultracondensadores con electrodos nanoestructurados. Han encontrado una manera de hacer crecer estas estructuras, dice, pero ahora tienen que ser capaces de cultivarlas lo suficientemente densa y económicamente como para que sean prácticas.