El condensador nanoestructurado se forma en una lámina de óxido de aluminio anódico nanoporoso (amarillo oscuro) por deposición atómica secuencial de metal (azul) y aislante (amarillo). El inserto es una microfotografía electrónica del dispositivo real. Foto: A. James Clark, University of Maryland.
Desarrollan un supercondensador nanoestructurado que es capaz de almacenar 10 veces más carga que los condensadores comerciales.
Tanto si queremos usar un automóvil eléctrico o tener autosuficiencia energética gracias a la energía solar recolectada por los paneles solares, sobre todo en un mundo cada vez más incierto, necesitamos almacenar energía eléctrica. Tanto para un caso u otro se necesitan diferentes requerimientos. Para un auto la velocidad de carga es importante, para una casa no. En ambos la capacidad de almacenar carga al menor coste y volumen es importante, pero el menor peso es importante para el primer caso y no tanto para el segundo. La potencia es importante si queremos que nuestro coche acelere rápidamente al incorporarse a una autopista o al adelantar en una carretera secundaria, pero en el segundo caso la potencia es importarte sólo si queremos usar la plancha o el horno eléctrico.
Hay toda una carrera científico-tecnológica para desarrollar nuevos sistema de almacenamiento de electricidad. Ya hemos cubierto en NeoFronteras varias tecnologías de este tipo. Fundamentalmente hay dos sistemas: baterías y condensadores.
En las baterías se almacena la carga eléctrica usando un sistema químico. Como inconvenientes se puede decir que son lentas de cargar y que sólo se pueden recargar un número limitado de veces.
Un condensador almacena la carga de manera “viva”, sin mediación de sistema químico alguno, haciendo emigran electrones de un conductor a otro que están separados por un aislante. Esto es, la energía se almacena en forma de electricidad estática. Un condensador puede suministrar una potencia alta, al ser capaz de proporcionar energía de manera instantánea, por eso se usan en los flashes fotográficos (y por eso no es una buena idea abrir uno y exponerse a una descarga instantánea del condensador). Además, un condensador se puede cargar y descargar un número ilimitado de veces. Pero al tener una capacidad limitada no puede almacenar mucha carga en él, y ésta se pierde con el tiempo.
Y aquí estamos en una disyuntiva. Podemos diseñar un perezoso auto eléctrico a baterías que tarde en cargarse horas y cuyas carísimas baterías tengamos de reemplazar al cabo de un tiempo o uno potente de carga rápida sin mantenimiento que haya que cargar cada pocos kilómetros.
En ayuda de la segunda opción acaba de publicarse un artículo con un resultado prometedor en supercondensadores escrito por un grupo de investigadores de University of Maryland . Según aseguran su nuevo sistema de supercondensador es 10 veces más eficiente que los sistemas comerciales.
Si se consiguiera un sistema de almacenamiento realmente barato y eficiente sería incluso planteable el almacenamiento de energía de origen renovable como la solar y eólica, que son fuentes de energía bastante intermitentes y cuyo suministro varía de manera imprevisible, algo que ni las baterías actuales ni los condensadores son capaces de hacer hoy en día.
Gary Rubloff y Sang Bok Lee han desarrollado un método que mejora el almacenamiento de carga en condensadores gracias al uso de nanotecnología. Consiguen crear millones de nanoestructuras idénticas diseñadas para transportar electrones de manera rápida desde las grandes superficies donde son almacenadas. Usan técnicas de autoensamblado, reacciones autolimitadas y autoalineamiento para conseguirlo. Al final se obtienen millones o miles de millones de nanoestructuras idénticas que reciben, almacenan y liberan carga eléctrica, y por tanto energía.
La idea es almacenar energía eléctrica de tal modo que se tenga simultáneamente alta potencia y alta densidad energética para así tener un método de almacenamiento que proporcione potencia y que a la vez se cargue rápidamente.
Un condensador almacena carga eléctrica de manera electrostática. El más sencillo condensador que se nos puede ocurrir consiste en dos placas metálicas separadas por un dieléctrico (aislante eléctrico). Para almacenar carga podemos llevar electrones de una placa a la otra de tal modo que haya un exceso de carga positiva (ausencia de electrones) en una placa y un exceso de carga negativa en la otra (exceso de electrones). Si entonces cortocircuitamos las dos placas con un cable los electrones pasan de un lado al otro (generándose una corriente) hasta llegar a una situación de equilibrio en la que ambas placas tienen carga neutra. Pero para conseguir mucha carga se necesita mucha superficie. Por eso el condensador de su flash tiene dos láminas metálicas flexibles separadas por un dieléctrico y enrolladas formando un cilindro compacto.
Pero esta manera de conseguir mucha superficie no es la única, o más bien no es suficiente. Se puede imaginar una estructura plegada sobre sí misma a la manera de las circunvalaciones cerebrales. Cuanto más pequeña sea la estructura más área tendremos para un volumen dado, de tal modo que con pliegues a escala nanométrica el área puede llegar a ser inmensa. Esto es justo lo que han hecho estos investigadores. El resultado obtenido almacena 10 veces más carga que los dispositivos comerciales sin sacrificar la alta potencia.
Lee y Rubloff están desarrollando ya la tecnología que permita fabricar estos condensadores de manera industrial masivamente a baja costo. Incluso creen que se podría integrar la producción de células solares y condensadores para producirlos a la vez en un sólo dispositivo. Se espera que este sistema experimente un desarrollo similar al de las baterías de litio próximamente.
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