Chip de silicio con superficie porosa junto al horno especial donde se recubrió con grafeno para crear un electrodo supercondensador. Crédito:Joe Howell / Vanderbilt)
(Phys.org) —Células solares que producen electricidad 24 horas al día, 7 días a la semana, no solo cuando brilla el sol. Teléfonos móviles con pilas de energía integradas que se recargan en segundos y funcionan durante semanas entre cargas.
Estas son solo dos de las posibilidades planteadas por un novedoso diseño de supercondensador inventado por científicos de materiales de la Universidad de Vanderbilt que se describe en un artículo publicado en la edición del 22 de octubre de la revista. Informes científicos .
Es el primer supercondensador que está hecho de silicio, por lo que puede integrarse en un chip de silicio junto con los circuitos microelectrónicos que alimenta. De hecho, Debería ser posible construir estas células de energía a partir del exceso de silicio que existe en la generación actual de células solares. sensores, teléfonos móviles y una variedad de otros dispositivos electromecánicos, proporcionando un ahorro de costes considerable.
"Si pregunta a los expertos sobre la fabricación de un supercondensador con silicio, te dirán que es una idea loca, "dijo Cary Pint, el profesor asistente de ingeniería mecánica que dirigió el desarrollo. "Pero hemos encontrado una manera fácil de hacerlo".
En lugar de almacenar energía en reacciones químicas como lo hacen las baterías, Los "supercaps" almacenan electricidad mediante el ensamblaje de iones en la superficie de un material poroso. Como resultado, tienden a cargarse y descargarse en minutos, en lugar de horas, y operar durante unos pocos millones de ciclos, en lugar de unos miles de ciclos como baterías.
Estas propiedades han permitido que los supercondensadores comerciales, que están hechos de carbón activado, para capturar algunos nichos de mercado, como almacenar la energía capturada por los sistemas de frenado regenerativo en autobuses y vehículos eléctricos y proporcionar las ráfagas de energía necesarias para ajustar las palas de las turbinas eólicas gigantes a las condiciones cambiantes del viento. Los supercondensadores todavía están por detrás de la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica de las baterías de iones de litio, por lo que son demasiado voluminosos para alimentar la mayoría de los dispositivos de consumo. Sin embargo, se han estado poniendo al día rápidamente.
El gráfico muestra la densidad de potencia (vatios por kilogramo) y la densidad de energía (vatios-hora por kilogramo) de los condensadores hechos de silicio poroso (P-Si), Condensadores comerciales a base de carbono y silicio poroso recubierto de grafeno. Crédito:Cary Pint / Vanderbilt
La investigación para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores se ha centrado en nanomateriales basados en carbono como el grafeno y los nanotubos. Debido a que estos dispositivos almacenan carga eléctrica en la superficie de sus electrodos, la forma de aumentar su densidad de energía es aumentar el área de superficie de los electrodos, lo que significa hacer superficies llenas de crestas y poros a nanoescala.
"El gran desafío de este enfoque es ensamblar los materiales, ", dijo Pint." Construyendo alto rendimiento, dispositivos funcionales de bloques de construcción a nanoescala con cualquier nivel de control han demostrado ser bastante desafiantes, y cuando se logra es difícil de repetir ".
Así que Pint y su equipo de investigación, los estudiantes graduados Landon Oakes, Andrew Westover y la becaria postdoctoral Shahana Chatterjee, decidieron adoptar un enfoque radicalmente diferente:usar silicio poroso, un material con una nanoestructura controlable y bien definida que se obtiene grabando electroquímicamente la superficie de una oblea de silicio.
Esto les permitió crear superficies con nanoestructuras óptimas para electrodos de supercondensadores, pero les dejó con un problema importante. El silicio generalmente se considera inadecuado para su uso en supercondensadores porque reacciona fácilmente con algunos de los productos químicos en los electrolitos que proporcionan los iones que almacenan la carga eléctrica.
Con experiencia en el crecimiento de nanoestructuras de carbono, El grupo de Pint decidió intentar recubrir la superficie porosa de silicio con carbono. "No teníamos idea de lo que pasaría, ", dijo Pint." Normalmente, Los investigadores cultivan grafeno a partir de materiales de carburo de silicio a temperaturas superiores a los 1400 grados Celsius. Pero a temperaturas más bajas, de 600 a 700 grados Celsius, ciertamente no esperábamos un crecimiento de material similar al grafeno ".
Cuando los investigadores sacaron el silicio poroso del horno, encontraron que había cambiado de naranja a morado o negro. Cuando lo inspeccionaron bajo un potente microscopio electrónico de barrido, descubrieron que se veía casi idéntico al material original, pero estaba recubierto por una capa de grafeno de unos pocos nanómetros de espesor.
Imagen de microscopio electrónico de transmisión de la superficie de silicio poroso recubierto con grafeno. El recubrimiento consiste en una capa delgada de 5-10 capas de grafeno que llenó poros con diámetros menores a 2-3 nanómetros y por lo tanto no alteró la arquitectura a nanoescala del silicio subyacente. Crédito:Cary Pint / Vanderbilt
Cuando los investigadores probaron el material recubierto, encontraron que había estabilizado químicamente la superficie de silicio. Cuando lo usaron para hacer supercondensadores, encontraron que el recubrimiento de grafeno mejoraba las densidades de energía en más de dos órdenes de magnitud en comparación con las fabricadas con silicio poroso sin recubrimiento y significativamente mejor que los supercondensadores comerciales.
La capa de grafeno actúa como una capa protectora atómicamente delgada. Pint y su grupo argumentan que este enfoque no se limita al grafeno. "La capacidad de diseñar superficies con capas de materiales atómicamente delgadas, combinada con el control logrado en el diseño de materiales porosos, abre oportunidades para una serie de aplicaciones diferentes más allá del almacenamiento de energía, " él dijo.
"A pesar del excelente rendimiento del dispositivo que logramos, nuestro objetivo no era crear dispositivos con un rendimiento récord, ", dijo Pint." Se trataba de desarrollar una hoja de ruta para el almacenamiento integrado de energía. El silicio es un material ideal en el que centrarse porque es la base de gran parte de nuestra tecnología y aplicaciones modernas. Además, la mayor parte del silicio de los dispositivos existentes no se utiliza, ya que es muy caro y un desperdicio producir obleas de silicio delgadas ".
El grupo de Pint está utilizando actualmente este enfoque para desarrollar el almacenamiento de energía que se puede formar en el exceso de materiales o en los lados traseros no utilizados de las células solares y los sensores. Los supercondensadores almacenarían el exceso de electricidad que generan las células al mediodía y lo liberarían cuando la demanda alcanza su punto máximo por la tarde.
"Todas las cosas que nos definen en un entorno moderno requieren electricidad, ", dijo Pint." Cuanto más podamos integrar el almacenamiento de energía en los materiales y dispositivos existentes, cuanto más compactos y eficientes se volverán ".
