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Un salto cuántico en el diseño de baterías
Un concepto de batería cuántica digital propuesto por un físico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign podría proporcionar un impulso dramático en la capacidad de almacenamiento de energía, si alcanza su potencial teórico una vez construido.
El concepto requiere miles de millones de condensadores a nanoescala y se basaría en efectos cuánticos, los fenómenos extraños que ocurren en escalas de tamaño atómico, para impulsar el almacenamiento de energía. Los condensadores convencionales constan de un par de placas conductoras de macroescala, o electrodos, separados por un material aislante. La aplicación de un voltaje crea un campo eléctrico en el material aislante, almacenando energía. Pero todos estos dispositivos solo pueden contener tanta carga, más allá de la cual se produce un arco entre los electrodos, desperdiciando la energía almacenada.
Si, en cambio, los condensadores se construyeran como matrices de nanoescala, lo que es crucial, con electrodos espaciados a unos 10 nanómetros (o 100 átomos) de distancia, los efectos cuánticos deberían suprimir tales arcos. Durante años, los investigadores han reconocido que los condensadores a nanoescala exhiben campos eléctricos inusualmente grandes, lo que sugiere que la pequeña escala de los dispositivos era responsable de prevenir la pérdida de energía. Pero la gente no se dio cuenta de que un gran campo eléctrico significa una gran densidad de energía y podría usarse para el almacenamiento de energía que superaría con creces cualquier cosa que tengamos hoy, dice Alfred Hubler, físico de Illinois y autor principal de un papel delineando el concepto, para ser publicado en la revista Complejidad .
Hubler afirma que la densidad de potencia resultante (la velocidad a la que se puede almacenar o liberar la energía) podría ser órdenes de magnitud mayor, y la densidad de energía (la cantidad de energía que se puede almacenar) de dos a 10 veces mayor de lo que es posible con el mejor litio de la actualidad. -ion y otras tecnologías de batería.
Además, las baterías cuánticas digitales podrían fabricarse utilizando tecnologías de fabricación de chips litográficos existentes utilizando materiales baratos y no tóxicos, como hierro y tungsteno, sobre un sustrato de silicio, dice. Los dispositivos resultantes, en principio, desperdiciarían poca o ninguna energía al absorber y liberar electrones. Hubler dice que puede ser posible construir un prototipo de sobremesa en un año.
Hoy, sin embargo, las baterías cuánticas digitales son simplemente un concepto de investigación pendiente de patente. Hubler ha solicitado fondos de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para desarrollar un prototipo de este tipo, pero el concepto presenta desafíos importantes. No está claro que los materiales nanofabricados no se descompongan una vez cargados con energía, dice Joel Schindall , profesor de ingeniería eléctrica en el MIT.
Pero Schindall también dice que el concepto tiene mérito. Estoy cautelosamente intrigado, porque él tiene algunos argumentos legítimos para el hecho de que en estas dimensiones cuánticas, al menos se predice que el efecto de almacenamiento de energía aumentará considerablemente, dice Schindall. El primer desafío es: ¿son correctas sus suposiciones o hay otros fenómenos que no se han analizado y que se interponen en el camino?
De alguna manera, el concepto representa una variación de los dispositivos micro y nanoelectrónicos existentes. Si lo miras desde la perspectiva de la electrónica digital, es solo una unidad flash, dice Hubler. Si lo mira desde una perspectiva de ingeniería eléctrica, diría que estos son tubos de vacío miniaturizados como en los televisores de plasma. Si habla con un físico, esta es una red de condensadores.
La parte digital del concepto se deriva del hecho de que cada tubo de nanovacío sería direccionable individualmente. Debido a esto, los dispositivos también podrían usarse para almacenar datos.
Existen otros métodos para aumentar el rendimiento de los condensadores. Las versiones avanzadas, llamadas ultracondensadores, pueden almacenar una cantidad significativa de energía y operar más rápidamente aumentando el área de superficie de sus electrodos y usando un electrolito. El grupo de Schindall ha aumentado las tasas de carga y descarga y la capacidad de almacenamiento de los ultracondensadores tradicionales mediante el uso de nanotubos de carbono en lugar de carbón activado en la superficie del electrodo. En esencia, esto aumenta el área de superficie del electrodo.
Las ventajas del diseño de Schindall (mayor producción de energía y densidad de energía) podrían ser cruciales para aplicaciones como absorber grandes pulsos de energía rápidamente de un campo de turbinas eólicas o paneles solares, por ejemplo. Además, su equipo ha construido un dispositivo de sobremesa. La desventaja es que la densidad de energía de una masa determinada de material aún sería algo menor que la de las baterías de iones de litio.
Si bien Hubler aún no ha construido nada, señala que, en 2005, un grupo de investigadores coreanos demostró que se podían fabricar capacitores a nanoescala. Sin embargo, el dispositivo de Hubler aún necesitaría miles de millones o incluso billones de estos dispositivos.
Estoy completamente de acuerdo en que necesitamos desesperadamente nuevas formas de almacenar energía eléctrica, dice Schindall. Aunque puede estar en competencia con lo que estoy haciendo, le deseo el mayor de los éxitos y espero que funcione.