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Nanocondensadores con almacenamiento de gran energía
El último dispositivo electrónico de almacenamiento de energía almacenaría mucha energía, pero también se cargaría rápidamente y proporcionaría ráfagas poderosas cuando sea necesario. Lamentablemente, los dispositivos de hoy en día solo pueden hacer una cosa o la otra: los condensadores proporcionan alta potencia, mientras que las baterías ofrecen gran capacidad de almacenamiento.
Poder de nanoporos: Aquí se muestran matrices de condensadores construidos dentro de nanoporos en una imagen de micrografía electrónica de barrido superpuesta con una ilustración que muestra su diseño. Los poros se graban en un sustrato de aluminio (amarillo oscuro). Los condensadores forman dos capas delgadas de metal (azul) separadas por una capa de material aislante (amarillo claro).
Ahora, los investigadores de la Universidad de Maryland han desarrollado una especie de condensador que reúne estas cualidades. La investigación se encuentra en sus primeras etapas y el dispositivo tendrá que ampliarse para que sea práctico, pero los resultados iniciales muestran que puede almacenar 100 veces más energía que los dispositivos anteriores de este tipo. En última instancia, estos dispositivos podrían almacenar oleadas de energía de fuentes renovables, como el viento, y alimentar esa energía a la red eléctrica cuando sea necesario. También podrían alimentar autos eléctricos que se recargan en la cantidad de tiempo que se tarda en llenar un tanque de gasolina, en lugar de las seis a ocho horas que tardan en recargarse hoy.
Hay muchos tipos diferentes de baterías y condensadores, pero en general, las baterías pueden almacenar grandes cantidades de energía y, sin embargo, tienden a cargarse lentamente y gastarse rápidamente. Mientras tanto, los condensadores tienen una vida útil más larga y pueden descargarse rápidamente, pero almacenan mucha menos energía total. Electroquímicos e ingenieros han estado trabajando para resolver este problema de almacenamiento de energía aumentando la potencia de las baterías y aumentando la capacidad de almacenamiento de los condensadores.
Sang Bok Lee , profesor de química, y Gary Rubloff , profesor de ingeniería y director de la Maryland NanoCenter , creó matrices nanoestructuradas de condensadores electrostáticos. Los condensadores electrostáticos son el tipo más simple de dispositivo de almacenamiento de energía electrónica, dice 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 estos electrodos en forma de sándwich. Los investigadores de Maryland aumentaron la capacidad de almacenamiento de sus condensadores mediante el uso de nanofabricación para aumentar su superficie total. Sus electrodos funcionan de la misma manera que los que se encuentran en los condensadores convencionales, pero en lugar de ser planos, son tubulares y están metidos en el interior de los nanoporos.
El proceso de fabricación comienza con una placa de vidrio recubierta de aluminio. Los poros se graban en la placa tratándola con ácido y aplicando un voltaje. Es posible hacer arreglos muy regulares de poros diminutos pero profundos, cada uno tan pequeño como 50 nanómetros de diámetro y hasta 30 micrómetros de profundidad, controlando cuidadosamente las condiciones de reacción. El proceso es similar al que se usa para fabricar chips de memoria. Luego, deposita una capa muy delgada de metal, luego una capa delgada de aislante, luego otra capa delgada de metal en estos poros, dice Rubloff. Estas tres capas actúan como electrodos y capa aislante de los nanocondensadores. Una capa de aluminio se asienta sobre el dispositivo y sirve como un contacto eléctrico; el otro contacto se realiza con una capa de aluminio subyacente.
Esta estructura similar a un fractal aumenta enormemente el área de superficie, dice Joel Schindall , director asociado del MIT Laboratorio de Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos , que no participó en el trabajo.
En un artículo publicado en línea esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza , el grupo de Maryland describe la fabricación de matrices de 125 micrómetros de ancho, cada una de las cuales contiene un millón de nanocondensadores. El área de superficie de cada matriz es 250 veces mayor que la de un condensador convencional de tamaño comparable. La capacidad de almacenamiento de las matrices es de aproximadamente 100 microfaradios por centímetro cuadrado.
Pero el área de la superficie no es el único determinante de la densidad de energía. Los nanocondensadores del grupo de Maryland también se benefician del espaciamiento muy pequeño entre sus electrodos, y el trabajo es único a este respecto, dice Robert Hebner , director de la Centro de electromecánica en la Universidad de Texas en Austin. Hebner no participó en la investigación de Maryland.
Si los electrodos están muy separados, las cargas similares en sus superficies se repelen fuertemente entre sí. Cuando los electrodos se colocan más juntos, las cargas negativas y positivas de cada lado equilibran estas fuerzas repulsivas y se puede almacenar más carga total en un área determinada. El grosor total de cada nanocondensador es de solo 25 nanómetros, y las cargas pueden empaquetarse muy juntas. Es impresionante, dice Hebner. Espero que puedan ampliarlo.
Hasta ahora, las matrices de nanocondensadores no pueden almacenar mucha energía total porque son muy pequeñas. En lugar de hacer estos pequeños puntos, queremos hacer un área grande que contenga miles de millones de nanocondensadores para almacenar grandes cantidades de energía, dice Lee. Tanto él como Rubloff dicen que escalar a un nivel práctico no es trivial, pero ambos están trabajando juntos para hacer arreglos más grandes. Hay muchos problemas de ampliación, dice Rubloff. Veremos qué tan grandes podemos hacerlos y aún hacer que funcionen todos.
Incluso si se resuelve este problema, todavía tendrán que asegurarse de que pueden conectar de forma eficaz varias matrices entre sí. Pero Hebner dice que este problema no es insoluble y señala los dispositivos en el mercado, incluidos los detectores magnéticos sensibles, que superan con éxito problemas de conectividad similares.
Una ventaja del nuevo método de fabricación es que las dimensiones de los nanoporos y los respectivos espesores del electrodo y el aislante se pueden controlar cuidadosamente. La regularidad y la uniformidad son fundamentales para escalar las nanotecnologías a algo fabricable y comercializable, dice Rubloff. Todavía existen grandes obstáculos, pero estamos tratando de decidir cómo comercializar esto; definitivamente hay una sed por hacerlo.