(a) En la celda de potencia de carga automática, el material piezoeléctrico PVDF sustituye al material separador convencional y actúa como un nanogenerador dentro de una batería de iones de litio. (b) En la suela de un zapato, la celda de potencia convierte la energía de compresión generada al caminar en energía química y la almacena sin convertirla en electricidad. Crédito de la imagen:Xue, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) - Las tecnologías de energía renovable generalmente consisten en dos procesos distintos:generación de energía (utilizando fuentes como carbón, solar, viento, etc.) y almacenamiento de energía (como baterías). Estos dos procesos siempre se logran a través de dos unidades separadas, con el primer proceso que convierte la forma original de energía en electricidad, y el segundo proceso que convierte la electricidad en energía química. Ahora por primera vez Los ingenieros han demostrado que la energía se puede generar y almacenar en un solo dispositivo que convierte la energía mecánica directamente en energía química. pasando por alto el paso intermedio de la generación de electricidad. El dispositivo actúa básicamente como una unidad híbrida de generador-batería, o en otras palabras, una celda de energía de carga automática.
Los investigadores, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, y Zhong Lin Wang, del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta, Georgia, han publicado su estudio sobre la combinación de generación y almacenamiento de energía en una sola unidad en un número reciente de Nano letras .
“Este es un proyecto que presenta un nuevo enfoque en la tecnología de baterías que es fundamentalmente nuevo en la ciencia, "Zhong Lin Wang dijo Phys.org . “Esto tiene una aplicación general y amplia porque es una unidad que no solo recolecta energía sino que también la almacena. No necesita una fuente de corriente continua de chorro de pared constante para cargar la batería. Se utiliza principalmente para conducir pequeños, electrónica portátil ".
Para fabricar la celda de potencia de carga automática, los investigadores comenzaron con una batería de iones de litio tipo moneda y reemplazaron el separador de polietileno que normalmente separa los dos electrodos con una película de PVDF. Como material piezoeléctrico, La película de PVDF genera una carga cuando se aplica una tensión. Debido a su posición entre los electrodos de la batería, la película de PVDF hace que los iones de Li positivos migren del cátodo al ánodo para mantener un equilibrio de carga a través de la batería. Este proceso de migración de iones carga la batería sin necesidad de ninguna fuente de voltaje externa; dado que el separador de PVDF proporciona el voltaje, o diferencia de potencial entre electrodos, la batería es esencialmente de carga automática.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido de sección transversal de la celda de potencia de carga automática (izquierda), y el ánodo de nanotubos de TiO2 agrandado (derecha). Crédito de la imagen:Xue, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
Para aplicar una tensión al separador, los investigadores colocaron la batería del tamaño de una moneda en la suela de un zapato, y descubrió que caminar podía generar suficiente energía de compresión para cargar la batería. Una fuerza de compresión con una frecuencia de 2,3 Hz podría aumentar el voltaje del dispositivo de 327 a 395 mV en 4 minutos. Este aumento de 65 mV es significativamente mayor que el aumento de 10 mV que tomó cuando la celda de energía se separó en un generador piezoeléctrico de PVDF y una batería de iones de litio con el separador de polietileno convencional. La mejora muestra que lograr una conversión de energía mecánica a química en un paso es mucho más eficiente que el proceso de dos pasos mecánico a eléctrico y eléctrico a químico utilizado para cargar una batería tradicional.
Una vez que se alcanza el nuevo equilibrio entre electrodos, cesa el proceso de autocarga. La celda puede comenzar a suministrar energía después de que se libera la tensión aplicada, ya que el campo piezoeléctrico desaparece y los iones Li pueden difundirse desde el ánodo al cátodo para alcanzar un nuevo equilibrio. Como en una batería de iones de litio convencional, La difusión de iones implica reacciones electroquímicas de reducción-oxidación, que aquí generan una corriente de aproximadamente 1 μA que se puede utilizar para alimentar un pequeño dispositivo electrónico.
“Los iones de Li no fluirán de regreso inmediatamente después de que se elimine la tensión aplicada porque forma un nuevo compuesto con el material del ánodo (LiTiO), ", Dijo Zhong Lin Wang. “Las cargas se conservan como en una batería convencional. Se lanzan en un momento posterior cuando se requiere energía ".
Aunque estos voltajes y corrientes son bajos, los investigadores demostraron que la celda de potencia también puede autocargarse con voltajes más altos de alrededor de 1,5 V, lo que podría hacerlo útil para una gama más amplia de aplicaciones. Los investigadores predicen que pueden mejorar aún más el rendimiento de la celda de energía haciendo varias modificaciones, por ejemplo, mediante el uso de una carcasa flexible para permitir una mayor deformación del material piezoeléctrico.
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