La investigación dirigida por un científico de Stanford promete aumentar el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento eléctrico de alta potencia, como baterías de automóvil.

En el trabajo publicado esta semana en Letras de física aplicada , los investigadores describen un modelo matemático para diseñar nuevos materiales para almacenar electricidad. El modelo podría ser de gran beneficio para los químicos y científicos de materiales, que tradicionalmente se basan en prueba y error para crear nuevos materiales para baterías y condensadores. El avance de nuevos materiales para el almacenamiento de energía es un paso importante hacia la reducción de las emisiones de carbono en los sectores de transporte y electricidad.

"El potencial aquí es que podría construir baterías que duren mucho más y hacerlas mucho más pequeñas, "dijo el coautor del estudio Daniel Tartakovsky, un profesor en la Escuela de la Tierra, Ciencias energéticas y ambientales. "Si pudiera diseñar un material con una capacidad de almacenamiento muy superior a la que tenemos hoy, entonces podría mejorar drásticamente el rendimiento de las baterías ".

Bajando una barrera

Uno de los principales obstáculos para la transición de los combustibles fósiles a las energías renovables es la capacidad de almacenar energía para su uso posterior. como durante las horas en las que el sol no brilla en el caso de la energía solar. Demanda de barato el almacenamiento eficiente ha aumentado a medida que más empresas recurren a fuentes de energía renovables, que ofrecen importantes beneficios para la salud pública.

Tartakovsky espera que los nuevos materiales desarrollados a través de este modelo mejoren los supercondensadores, un tipo de almacenamiento de energía de próxima generación que podría reemplazar las baterías recargables en dispositivos de alta tecnología como teléfonos celulares y vehículos eléctricos. Los supercondensadores combinan lo mejor de lo que está disponible actualmente para el almacenamiento de energía:baterías, que contienen mucha energía pero se cargan lentamente, y condensadores, que se cargan rápidamente pero retienen poca energía. Los materiales deben ser capaces de soportar tanto una alta potencia como una alta energía para evitar romperse. explotar o incendiarse.

"Las baterías actuales y otros dispositivos de almacenamiento son un cuello de botella importante para la transición a la energía limpia, ", Dijo Tartakovsky." Hay mucha gente trabajando en esto, pero este es un nuevo enfoque para analizar el problema ".

Los tipos de materiales ampliamente utilizados para desarrollar el almacenamiento de energía, conocidos como materiales nanoporosos, parecen sólidos para el ojo humano, pero contienen agujeros microscópicos que les confieren propiedades únicas. Desarrollando nuevos, posiblemente mejores materiales nanoporosos tiene, hasta ahora, ha sido una cuestión de prueba y error:disponer minúsculos granos de sílice de diferentes tamaños en un molde, llenar el molde con una sustancia sólida y luego disolver los granos para crear un material que contiene muchos agujeros pequeños. El método requiere una planificación extensa, labor, experimentación y modificaciones, sin garantizar el resultado final será la mejor opción posible.

"Desarrollamos un modelo que permitiría a los químicos de materiales saber qué esperar en términos de rendimiento si los granos están dispuestos de cierta manera, sin pasar por estos experimentos, ", Dijo Tartakovsky." Este marco también muestra que si organizas tus granos como sugiere el modelo, entonces obtendrá el máximo rendimiento ".

Más allá de la energía

La energía es solo una industria que utiliza materiales nanoporosos, y Tartakovsky dijo que espera que este modelo sea aplicable en otras áreas, así como.

"Esta aplicación en particular es para almacenamiento eléctrico, pero también podrías usarlo para desalación, o cualquier purificación de membranas, ", dijo." El marco te permite manejar diferentes tipos de química, para que pueda aplicarlo a cualquier material poroso que diseñe ".

La investigación de modelos matemáticos de Tartakovsky abarca la neurociencia, desarrollo Urbano, medicina y más. Como científico de la Tierra y profesor de ingeniería de recursos energéticos, es un experto en el flujo y transporte de medios porosos, conocimiento que a menudo se subutiliza en todas las disciplinas, él dijo. El interés de Tartakovsky en optimizar el diseño de baterías surgió de la colaboración con un equipo de ingeniería de materiales de la Universidad de Nagasaki en Japón.

"Este colaborador japonés mío nunca había pensado en hablar con hidrólogos, "Dijo Tartakovsky." No es obvio a menos que hagas ecuaciones - si haces ecuaciones, entonces comprenderá que se trata de problemas similares ".