Es una elección difícil:pasar hambre o hacerlo solo.

Cuando los soldados se ven abrumados en el campo de batalla por los suministros de alimentos y las pesadas baterías que alimentan sus equipos de comunicación, a menudo optan por deshacerse de las raciones. Es un sacrificio para mantener los dispositivos encendidos y las líneas de comunicación abiertas en el campo.

Menor, baterías de mayor duración ayudarían a aligerar la carga de un soldado, por lo que los investigadores de la USC están trabajando con el Departamento de Defensa de los EE. UU. para desarrollar mejores baterías que pesen la mitad de lo que pesan los paquetes de energía actuales.

La tecnología de la batería tiene un impacto más allá de los militares, también, ya que las baterías alimentan todo, desde teléfonos celulares hasta automóviles. A medida que crece la demanda mundial de energía, Los investigadores de la USC están revisando un futuro impulsado por baterías. Las baterías innovadoras podrían ayudarnos a almacenar energía renovable en redes de energía a gran escala para servir a ciudades enteras, disminuyendo nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Al mismo tiempo, Los científicos han descubierto nuevas fuentes de esta energía.

Ha comenzado la carrera para impulsar una nueva revolución de baterías.

Nuevos materiales para una mayor eficiencia, Baterías más limpias

Hay muchos tipos de pilas recargables, pero entre los más ubicuos se encuentran los de nuestros teléfonos celulares y computadoras:baterías de iones de litio. Estas unidades pueden almacenar el doble de energía por volumen que las variedades de hidruro metálico de níquel, y generalmente son más ligeros, también. Pero también son conocidos por su tendencia a calentarse (y se lamentaron por morir en los momentos más inconvenientes). Tiempo extraordinario, se degradan y pierden la capacidad de mantener una carga eléctrica. Los expertos dicen que a pesar de su popularidad, sus días pueden estar contados.

"Uno de los principales problemas de las baterías de iones de litio es que el litio no es un material abundante, por lo que simplemente no es sostenible ", dice Sri Narayan, profesor de química en el Dornsife College of Letters de la USC, Artes y Ciencias y codirector científico del Instituto de Investigación de Hidrocarburos Loker de la USC. "De hecho, si miras hacia el futuro lejano, podríamos quedarnos sin litio si seguimos consumiéndolo al ritmo actual. Necesitamos materiales alternativos que contengan más energía en el mismo volumen sin mucho litio ".

Narayan cree que una alternativa viable radica en el azufre, un recurso natural abundante y barato. Al agregar una membrana de conducción única a una batería de litio-azufre, Creó una batería que produce el triple de energía para su tamaño que las tecnologías actuales de iones de litio. Debido a que estas baterías serían más pequeñas y mejores para almacenar carga eléctrica que las baterías de iones de litio, Serían ideales cuando se necesita empacar más energía en un dispositivo pequeño. Según Narayan, podrían usarse en teléfonos celulares, computadoras y eventualmente vehículos eléctricos, incluyendo coches e incluso aviones.

El potencial innovador de su trabajo llamó la atención del Departamento de Defensa de EE. UU. que ha estado financiando la investigación de Narayan para desarrollar una batería más ligera para los soldados en el campo de batalla.

Chongwu Zhou, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi, ha recurrido a un recurso natural diferente para mejorar las baterías de los teléfonos móviles. Su diseño utiliza sodio, un elemento generalmente asociado con la sal de mesa, como reemplazo del litio. La innovadora batería de iones de sodio de Zhou se puede cargar al 50 por ciento de su capacidad en solo 2 minutos. Aunque todavía está en desarrollo y aún no está listo para el mercado, ya tiene una ventaja sobre las baterías existentes:la fabricación. El sodio es barato y abundante. y es más respetuoso con el medio ambiente que el litio, que debe ser minado.

Tecnología de batería que es confiable y resistente

Una hora de luz solar proporciona más que toda la energía consumida en el planeta en un año. Los paneles solares son una forma de aprovechar algo de este universal, fuente de energía gratuita, pero ¿qué sucede en un día lluvioso? Los paneles solares solo pueden generar energía cuando el sol brilla sobre ellos, y las turbinas eólicas solo pueden generar energía cuando sopla el viento. Los altibajos en el suministro de estas fuentes renovables dificultan que las empresas eléctricas dependan de ellas para satisfacer la demanda de los clientes en tiempo real.

"Es seguro decir que el sol estará allí durante los próximos 4.500 millones de años; por lo tanto, no tenemos una crisis energética sino una crisis de almacenamiento de energía, "dice Surya Prakash, profesor de química y titular de la cátedra George A. y Judith A. Olah Premio Nobel en Química de Hidrocarburos.

Si las baterías pudieran almacenar energía excedente para mantener un suministro constante a mano, aunque, esa falta de fiabilidad esporádica podría dejar de ser un problema. Es por eso que Prakash y Narayan han desarrollado una batería orgánica a base de agua que es duradera y está construida a partir de componentes ecológicos. Este nuevo diseño no utiliza metales ni materiales tóxicos y está diseñado para su uso en plantas de energía solar y eólica. donde su capacidad de almacenamiento a gran escala podría hacer que la red energética sea más resistente y eficiente.

Su tecnología de batería difiere de las baterías convencionales familiares para los consumidores. Se llama batería de flujo redox y consta de dos tanques de fluido, que almacenan la energía. Los fluidos se bombean a través de electrodos que están separados por una membrana. El líquido contiene electrolitos, y los iones y electrones fluyen de un fluido al otro a través de la membrana y luego el electrodo, creando una corriente eléctrica.

"El almacenamiento de energía a gran escala es un problema crítico en el futuro de las energías renovables, "Dice Narayan." Estas baterías de flujo se pueden escalar fácilmente para almacenar el tipo de energía excedente que se genera ".

Parecido a un pequeño edificio, la batería de flujo redox que Prakash imagina actuaría como una especie de granja de baterías, almacenar energía excedente generada por paneles solares o turbinas eólicas cercanas. "No utilizaría toda la energía almacenada para alimentar hogares individuales, sino más bien para mantener la red equilibrada, "dice Prakash, director del Instituto de Investigación de Hidrocarburos Loker de la USC. "Cuando aumentan las demandas de energía, el almacenamiento proporcionado por estas baterías ayudará a equilibrar la red al permitir el cambio de carga, para que no dependa únicamente de la quema de combustibles fósiles ".

Las nuevas baterías de flujo orgánico a base de agua duran aproximadamente 5, 000 ciclos de recarga, cinco veces más que las baterías de iones de litio tradicionales, lo que les da una vida útil de aproximadamente 15 años. A una décima parte del costo de las baterías de iones de litio, también son mucho más baratos de fabricar gracias al uso de abundantes, materiales sostenibles.

Narayan y Prakash han probado una batería de flujo de 1 kilovatio capaz de alimentar las necesidades básicas de electricidad de una casa pequeña. "A continuación, buscamos escalar para almacenar suficiente energía para toda una cuadra de la ciudad, la ciudad misma, y finalmente para una megaciudad como Los Ángeles, "Dice Narayan.

Un nuevo marco para almacenar energía

Dado que se prevé que el consumo anual de energía a nivel mundial seguirá aumentando en aproximadamente un 50 por ciento en los próximos 30 años, Depender de los recursos renovables es uno de los motivadores más importantes que impulsan la investigación en tecnología sostenible. El mundo no puede seguir dependiendo de los combustibles fósiles para satisfacer la demanda energética sin consecuencias medioambientales devastadoras. dicen los investigadores.

"Lo que debemos hacer en los próximos 30 años es diversificar nuestra cartera de energía para incluir energías renovables e incorporarlas gradualmente para dejar de consumir combustibles fósiles". o al menos reducir drásticamente, "dice Smaranda C. Marinescu, Profesor Asistente de Química Gabilan en USC Dornsife.

Marinescu se enfoca en recolectar la energía obtenida de la luz solar y almacenarla como energía química, al igual que las plantas a través de la fotosíntesis. Ella y su equipo están trabajando en una forma de convertir esa energía almacenada en electricidad mediante el uso de los llamados marcos metalorgánicos. Estos flexibles, Las estructuras cristalinas ultradelgadas y altamente porosas tienen propiedades únicas que los científicos han utilizado principalmente para absorber y separar diferentes tipos de gas. Su uso para aplicaciones energéticas parecía una causa perdida porque los investigadores creían que no podían conducir electricidad. Pero el trabajo de Marinescu ha cambiado eso.

En el laboratorio, su equipo experimentó con el material. Tomaron electrones que estaban localizados en enlaces (lo que les impide conducir electricidad) y los esparcieron por múltiples enlaces, desarrollando sólidos que ahora podrían transportar corriente eléctrica de la misma manera que lo hacen los metales. "Los marcos metalorgánicos ahora tienen el potencial para la producción y el almacenamiento de energía renovable, "Dice Marinescu.

Los marcos desarrollados por su grupo de investigación contienen elementos económicos y pueden transformar el agua ácida en hidrógeno. Esto representa un gran avance, ya que estos materiales podrían algún día utilizarse en tecnologías como las de los vehículos propulsados ​​por hidrógeno. También se pueden esparcir en un área enorme:solo se necesitan 10 gramos del material para cubrir una superficie del tamaño de un campo de fútbol.

La tecnología abre la puerta para almacenar energía renovable a un gran escala casi impensable.

Baterías con vida propia

¿Podrían las baterías del futuro provenir de organismos vivos?

Moh El-Naggar, Robert D. Beyer Catedrático de Carrera Temprana en Ciencias Naturales y profesor de Física y Astronomía, ciencias biológicas y química en USC Dornsife, piensa que la naturaleza tiene un sorprendente potencial de poder.

El-Naggar estudia el metabolismo inusual de bacterias como Shewanella oneidensis. Las bacterias transfieren electrones a superficies sólidas como rocas, creando pequeñas cargas eléctricas. Para crear una "batería bacteriana viviente, “El equipo de El-Naggar imagina una celda de combustible microbiana que puede generar energía capturando electrones de las bacterias a través de electrodos. Los científicos están diseñando tecnologías que aprovechan el proceso natural de transferencia de electrones de las bacterias.

"Las bacterias son máquinas muy evolucionadas que son realmente buenas para convertir energía e interactuar con las partes no vivas del medio ambiente". "El-Naggar dice." También estamos trabajando en el uso de los propios procesos naturales de las bacterias para producir biocombustibles o construir semiconductores para tecnologías de energía limpia como las células solares ".

Pero El-Naggar advierte que las bacterias probablemente nunca serán la respuesta a las necesidades energéticas a gran escala. "En comparación con las baterías más tradicionales, la densidad de potencia que obtenemos de la explotación de la biología suele ser menor, "El-Naggar dice." Pero hay nichos específicos que realmente dependen de la baja potencia donde es un desafío utilizar fuentes de energía tradicionales ".

Por ejemplo, Los microbios y dispositivos podrían colocarse en el fondo del océano y generar suficiente energía para pequeños, Sensores de alta sensibilidad. El ejército de los EE. UU. Está desarrollando estos sensores para la vigilancia submarina. El uso de baterías vivas para sensores en ubicaciones remotas del océano sería mucho más práctico que tener que cambiar las baterías tradicionales o suministrar combustible a estos sensores.

El trabajo de El-Naggar puede conducir al desarrollo de nuevos materiales híbridos y tecnologías renovables que combinen microorganismos con los componentes sintéticos de la nanotecnología. potencialmente creando una nueva forma híbrida de energía sostenible.

Si bien es muy probable que haya más de una solución para impulsar el planeta de manera sostenible, El-Naggar ve una oportunidad para alterar el status quo. También ve a la universidad lista para expandir las posibilidades de lo que pueden hacer mejores baterías.

"La USC es realmente buena derribando muros entre disciplinas científicas, y esta es una ventaja importante para la innovación en el área de las energías renovables, que no está definido por ninguna disciplina, "Dice El-Naggar. Su laboratorio incluye el mismo número de estudiantes graduados y posdoctorados en física, ciencias biológicas y química.

"Somos bastante ágiles cuando se trata de traspasar los límites tradicionales de los campos científicos".