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El Planeta precisa urgentemente de nanomateriales que almacenen mejor energía

  • Las baterías se hacen más pequeñas, se cargan más rápido, duran más y se desgastan lentamente, pero también pueden ser masivas, cargarse progresivamente, almacenar grandes cantidades de energía durante largos períodos de tiempo y distribuirla a pedido.

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Salvar el planeta puede depender de las partículas cargadas que se mueven a través de materiales invisiblemente pequeños, según un estudio de la Universidad de Drexel que publica 'Science'.

Científicos y políticos han reconocido la necesidad de un cambio urgente y sustancial en los mecanismos mundiales de producción y consumo de energía para detener su impulso hacia el cataclismo ambiental. Una corrección del curso de esta magnitud es ciertamente desalentadora, pero el nuevo informe sugiere que el camino tecnológico para lograr la sostenibilidad ya ha sido allanado, es solo una cuestión de elegir seguirlo.

El Planeta precisa urgentemente de nanomateriales que almacenen mejor energía

El estudio, escrito por un equipo internacional de investigadores, expone cómo la investigación en el campo de los nanomateriales para el almacenamiento de energía en las últimas dos décadas ha permitido el gran paso que será necesario para hacer uso de fuentes de energía sostenibles.

"La mayoría de los problemas más grandes que enfrenta el impulso por la sostenibilidad se pueden relacionar con la necesidad de un mejor almacenamiento de energía", señala en un comunicado Yury Gogotsi ,profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel y autor principal del artículo.

"Ya sea por un uso más amplio de las fuentes de energía renovables, la estabilización de la red eléctrica, la gestión de las demandas energéticas de nuestra tecnología inteligente y conectada omnipresente o la transición de nuestro transporte hacia la electricidad, la pregunta que enfrentamos es cómo mejorar la tecnología de almacenamiento y desembolso de energía --añade--. Después de décadas de investigación y desarrollo, los nanomateriales pueden ofrecer la respuesta a esa pregunta".

Los autores presentan un análisis exhaustivo sobre el estado de la investigación del almacenamiento de energía que involucra nanomateriales y sugieren la dirección que la investigación y el desarrollo deben tomar para que la tecnología logre la viabilidad general.

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El problema con la integración de recursos renovables en la red de energía es que es difícil administrar la oferta y la demanda de energía dada lo impredecible la naturaleza. Por lo tanto, los dispositivos de almacenamiento de energía masivos son necesarios para acumular toda la energía que se genera cuando el sol brilla y sopla el viento y luego poder usarlo rápidamente durante los períodos de alto uso de energía.

"Cuanto mejor seamos cosechando y almacenando energía, más podremos usar fuentes de energía renovables que son de naturaleza intermitente -resume Gogotsi-. Las baterías son como el silo del agricultor: si no es lo suficientemente grande y está construido de una manera que preservará los cultivos, entonces podría ser difícil pasar un largo invierno. En la industria energética en este momento, se podría decir que todavía estamos tratando de construir el silo adecuado para nuestra cosecha, y ahí es donde los nanomateriales pueden ayudar".

Descartar el 'logjam' de almacenamiento de energía ha sido un objetivo concertado para los científicos que aplican los principios de ingeniería para crear y manipular materiales a nivel atómico. Sus esfuerzos en la última década, que se destacan en el informe, ya han mejorado las baterías que alimentan los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y los autos eléctricos.

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"Muchos de nuestros mayores logros en almacenamiento de energía en los últimos años se deben a la integración de nanomateriales" -explica Gogotsi-.

"Las baterías de iones de litio ya usan nanotubos de carbono como aditivos conductores en los electrodos de las baterías para que se carguen más rápido y duren más. Y un número creciente de baterías usa partículas de nano-silicio en sus ánodos para aumentar la cantidad de energía almacenada. La introducción de nanomateriales es un proceso gradual y veremos más y más materiales a nanoescala dentro de las baterías en el futuro".

El diseño de la batería, durante mucho tiempo, se ha basado principalmente en encontrar materiales de energía progresivamente mejores y combinarlos para almacenar más electrones.

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Pero, más recientemente, los desarrollos tecnológicos han permitido a los científicos diseñar los materiales de los dispositivos de almacenamiento de energía para servir mejor a estas funciones de transmisión y almacenamiento.

Este proceso, llamado nanoestructuración, introduce partículas, tubos, escamas y pilas de materiales a nanoescala como los nuevos componentes de baterías, condensadores y supercondensadores. Su forma y estructura atómica pueden acelerar el flujo de electrones, el latido del corazón de la energía eléctrica. Y su amplia superficie proporciona más lugares de descanso para las partículas cargadas.

La efectividad de los nanomateriales incluso ha permitido a los científicos repensar el diseño básico de las baterías. Con materiales metálicos nanoestructurados que aseguran que los electrones puedan fluir libremente durante la carga y descarga, las baterías pueden perder un poco de peso y tamaño al eliminar los colectores de corriente de lámina de metal que son necesarios en las baterías convencionales. Como resultado, su forma ya no es un factor limitante para los dispositivos que están alimentando.

"Es un momento muy emocionante para trabajar en el área de materiales de almacenamiento de energía a nanoescala -reconoce Ekaterina Pomerantseva, profesora asociada de la Facultad de Ingeniería y coautora del artículo-. Ahora tenemos más nanopartículas disponibles que nunca, y con diferentes composiciones, formas y propiedades conocidas".

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"Estas nanopartículas son como los bloques de Lego, y deben unirse de manera inteligente para producir una estructura innovadora con un rendimiento superior a cualquier dispositivo de almacenamiento de energía actual" -prosigue-.

"Lo que hace que esta tarea sea aún más cautivadora es el hecho de que, a diferencia de los bloques de Lego, no siempre está claro cómo se pueden combinar diferentes nanopartículas para crear arquitecturas estables. Y a medida que estas arquitecturas deseadas a nanoescala se vuelven cada vez más avanzadas, esta tarea se vuelve cada vez más desafiante, desencadenando el pensamiento crítico y la creatividad de los científicos".

Gogotsi y sus coautores sugieren que capitalizar la promesa de los nanomateriales requerirá la actualización de algunos procesos de fabricación y una investigación continua sobre cómo garantizar la estabilidad de los materiales a medida que aumenta su tamaño.

"El costo de los nanomateriales en comparación con los materiales convencionales es un obstáculo importante, y se necesitan técnicas de fabricación a bajo costo y a gran escala -admite Gogotsi-. Pero esto ya se ha logrado para los nanotubos de carbono con cientos de toneladas de fabricación para las necesidades de la industria de baterías en China. El preprocesamiento de los nanomateriales de esta manera permitiría el uso del equipo actual de fabricación de baterías".

También señalan que el uso de nanomateriales eliminaría la necesidad de ciertos materiales tóxicos que han sido componentes clave en las baterías. Pero también sugieren establecer estándares ambientales para el desarrollo futuro de nanomateriales que no sean tóxicos para los humanos y el medio ambiente.

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