Los nanomateriales serán componentes clave para habilitar la tecnología portátil, según un equipo internacional de investigadores cuyo informe exhaustivo sobre el futuro del campo se publicó en la ciencia esta semana. Crédito:Universidad de Drexel
El desafío de construir un futuro energético que preserve y mejore el planeta es una empresa enorme. Pero todo depende de que las partículas cargadas se muevan a través de materiales invisiblemente pequeños.
Los científicos y los 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 un cataclismo ambiental. Una corrección de rumbo de esta magnitud es ciertamente abrumadora, pero un nuevo informe en la revista Ciencias sugiere que el camino tecnológico para lograr la sostenibilidad ya está pavimentado, es solo cuestión de elegir seguirlo.
El informe, escrito por un equipo internacional de investigadores, expone cómo la investigación en el campo de los nanomateriales para el almacenamiento de energía durante las dos últimas décadas ha permitido el gran paso que será necesario para hacer uso de fuentes de energía sostenibles.
"La mayoría de los mayores problemas que enfrenta el impulso a la sostenibilidad pueden estar vinculados a la necesidad de un mejor almacenamiento de energía, "dijo Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel y autor principal del artículo. "Ya sea que se trate de un uso más amplio de fuentes de energía renovables, estabilizar la red eléctrica, Gestionar las demandas de energía de nuestra omnipresente tecnología inteligente y conectada o hacer la transición de nuestro transporte hacia la electricidad:la pregunta que enfrentamos es cómo mejorar la tecnología de almacenamiento y distribución de energía. Después de décadas de investigación y desarrollo, la respuesta a esa pregunta puede que la ofrezcan los nanomateriales ".
Los autores presentan un análisis exhaustivo sobre el estado de la investigación sobre almacenamiento de energía con nanomateriales y sugieren la dirección que debe tomar la investigación y el desarrollo para que la tecnología logre la viabilidad generalizada.
El jamon
La mayoría de los planes para la sostenibilidad energética, desde el Green New Deal hasta el Acuerdo de París, a las diversas políticas regionales de emisiones de carbono:afirmar la necesidad de controlar el consumo de energía y al mismo tiempo aprovechar las nuevas fuentes renovables, como la energía solar y eólica. El cuello de botella de ambos esfuerzos es la necesidad de una mejor tecnología de almacenamiento de energía.
El problema con la integración de recursos renovables en nuestra red energética es que es difícil gestionar la oferta y la demanda de energía dada la naturaleza impredecible de ... la naturaleza. Entonces, Los dispositivos masivos de almacenamiento de energía son necesarios para acomodar toda la energía que se genera cuando el sol brilla y el viento sopla y luego poder desembolsarla rápidamente durante los períodos de alto uso de energía.
"Cuanto mejor seamos recolectando y almacenando energía, cuanto más seamos capaces de utilizar fuentes de energía renovables que son de naturaleza intermitente, ", Dijo Gogotsi." Las baterías son como el silo del agricultor:si no es lo suficientemente grande y está construido de una manera que preserva los cultivos, entonces podría ser difícil pasar un largo invierno. En la industria de la energía en este momento, se podría decir que todavía estamos intentando construir el silo adecuado para nuestra cosecha, y ahí es donde los nanomateriales pueden ayudar ".
Los nanomateriales están permitiendo a los científicos repensar el diseño de las baterías, lo que jugará un papel clave en el futuro del almacenamiento de energía. Crédito:Universidad de Drexel
La solución
Desencadenar el atasco del almacenamiento de energía ha sido un objetivo concertado para los científicos que aplican principios de ingeniería para crear y manipular materiales a nivel atómico. Sus esfuerzos solo en la última década, que se destacaron en el informe, ya han mejorado las baterías que alimentan los teléfonos inteligentes, laptops y autos eléctricos.
"Muchos de nuestros mayores logros en almacenamiento de energía en los últimos años se deben a la integración de nanomateriales, ", Dijo Gogotsi." Las baterías de iones de litio ya usan nanotubos de carbono como aditivos conductores en los electrodos de la batería para que se carguen más rápido y duren más. Y un número cada vez mayor de baterías utiliza partículas de nano-silicio en sus ánodos para aumentar la cantidad de energía almacenada.
La introducción de nanomateriales es un proceso gradual y en el futuro veremos más y más materiales a nanoescala dentro de las baterías ".
Diseño de batería, por mucho tiempo, se ha basado principalmente en encontrar materiales energéticos progresivamente mejores y combinarlos para almacenar más electrones. Pero, más recientemente, Los avances tecnológicos han permitido a los científicos diseñar los materiales de los dispositivos de almacenamiento de energía para que sirvan 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 las baterías, condensadores y supercondensadores. Su forma y estructura atómica pueden acelerar el flujo de electrones, el latido de la energía eléctrica. Y su amplia superficie proporciona más lugares de descanso para las partículas cargadas.
La eficacia de los nanomateriales incluso ha permitido a los científicos repensar el diseño básico de las propias baterías. Con materiales nanoestructurados de conducción metálica que garantizan que los electrones puedan fluir libremente durante la carga y descarga, Las baterías pueden perder bastante peso y tamaño al eliminar los colectores de corriente de lámina metálica que son necesarios en las baterías convencionales. Como resultado, su forma ya no es un factor limitante para los dispositivos que están alimentando.
Las baterías son cada vez más pequeñas cargando más rápido, duran más y se desgastan lentamente, pero también pueden ser masivas, cargar progresivamente, almacenar grandes cantidades de energía durante largos períodos de tiempo y distribuirla a pedido.
"Es un momento muy emocionante para trabajar en el área de materiales de almacenamiento de energía a nanoescala, "dijo Ekaterina Pomerantseva, Doctor., profesor asociado de la Facultad de Ingeniería y coautor del artículo. "Ahora tenemos más nanopartículas disponibles que nunca, y con diferentes composiciones, formas y propiedades conocidas. Estas nanopartículas son como bloques de Lego, y deben ensamblarse de manera inteligente para producir una estructura innovadora con un rendimiento superior a cualquier dispositivo de almacenamiento de energía actual. Lo que hace que esta tarea sea aún más cautivadora es el hecho de que, a diferencia de los Legos, No siempre está claro cómo se pueden combinar diferentes nanopartículas para crear arquitecturas estables. Y a medida que estas arquitecturas de nanoescala deseadas se vuelven cada vez más avanzadas, esta tarea se vuelve cada vez más desafiante, desencadenando el pensamiento crítico y la creatividad de los científicos ".
La construcción de arquitecturas de electrodos sofisticadas utilizando nanomateriales requiere enfoques de fabricación innovadores, como la deposición por pulverización. Crédito:Universidad de Drexel
El futuro
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 gran obstáculo, y se necesitan técnicas de fabricación a gran escala y de bajo costo, ", Dijo 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 de equipos de fabricación de baterías actuales ".
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.
"Siempre que los científicos consideren nuevos materiales para el almacenamiento de energía, siempre deben tener en cuenta la toxicidad para los seres humanos y el medio ambiente, también en caso de incendio accidental, incineración o vertido a la basura, "Dijo Gogotsi.
¿Qué significa todo esto? según los autores, es que la nanotecnología está haciendo que el almacenamiento de energía sea lo suficientemente versátil como para evolucionar con el cambio en el abastecimiento de energía que exigen las políticas de futuro.
