Con celulosa de madera, Los investigadores del noreste han creado un nuevo material biodegradable para mejorar las baterías de flujo y reducir el costo de almacenamiento de energía de fuentes renovables. Crédito:Ruby Wallau / Northeastern University
La naturaleza no siempre es generosa con sus secretos. Es por eso que algunos investigadores buscan en lugares inusuales soluciones a nuestros desafíos más difíciles, de poderosos antibióticos que se esconden en las entrañas de pequeños gusanos, a veloces robots inspirados en murciélagos.
Ahora, Investigadores del noreste se han acercado a los árboles para buscar formas de fabricar nuevos materiales sostenibles a partir de abundantes recursos naturales, específicamente, dentro de la estructura química de las microfibras que componen la madera.
Un equipo dirigido por Hongli (Julie) Zhu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en Northeastern, está utilizando nanomateriales únicos derivados de la celulosa para mejorar el tipo de baterías grandes y costosas necesarias para almacenar energía renovable obtenida de fuentes como la luz solar y el viento.
Celulosa, el polímero natural más abundante en la Tierra, también es el componente estructural más importante de las plantas. Contiene estructuras moleculares importantes para mejorar las baterías, reducir la contaminación plástica, y alimentar el tipo de redes eléctricas que podrían apoyar a comunidades enteras con energía renovable, Dice Zhu.
"Intentamos utilizar polímeros de madera, de la corteza, de semillas, de flores, bacterias té verde:de este tipo de plantas para reemplazar el plástico, "Dice Zhu.
Uno de los principales desafíos a la hora de almacenar energía solar, viento, y otros tipos de energías renovables es que la variación en factores como el clima conduce a fuentes de energía inconsistentes.
Hogli (Julie) Zhu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial, está probando los dispositivos más avanzados para almacenar energía renovable, que constan de dos soluciones diferentes de iones de vanadio que se bombean continuamente a través de una batería. Para que la batería se cargue y descargue de manera eficiente, las soluciones deben mantenerse separadas con una membrana selectiva de iones especial. Crédito:Ruby Wallau / Northeastern University
Ahí es donde entran en juego las baterías de gran capacidad. Pero almacenar las grandes cantidades de energía que la luz solar y el viento pueden proporcionar requiere un tipo de dispositivo especial.
Las baterías más avanzadas para hacer eso se llaman baterías de flujo, y están hechos con iones de vanadio disueltos en ácido en dos tanques separados, uno con una sustancia de iones cargados negativamente, y uno con positivos. Las dos soluciones se bombean continuamente desde el tanque a una celda, que funciona como un motor para la batería.
Estas sustancias siempre están separadas por una membrana especial que asegura que intercambien iones de hidrógeno positivos sin fluir entre sí. Ese intercambio selectivo de iones es la base de la capacidad de la batería para cargar y descargar energía.
Las baterías de flujo son dispositivos ideales para almacenar energía solar y eólica porque se pueden ajustar para aumentar la cantidad de energía almacenada sin comprometer la cantidad de energía que se puede generar. Cuanto más grandes son los tanques, cuanta más energía pueda almacenar la batería de recursos no contaminantes y prácticamente inagotables.
Pero fabricarlos requiere varias piezas móviles de hardware. A medida que la membrana que separa las dos sustancias que fluyen se desintegra, puede hacer que los iones de vanadio de la solución se mezclen. Ese cruce reduce la estabilidad de una batería, junto con su capacidad para almacenar energía.
Zhu dice que la eficiencia limitada de esa membrana, combinado con su alto costo, son los principales factores que impiden que las baterías de flujo se utilicen ampliamente en redes a gran escala.
Hogli Zhu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial, ha creado una membrana de inspiración biológica utilizando nanofibras derivadas de la madera para baterías a gran escala. Crédito:Ruby Wallau / Northeastern University
En un artículo reciente, Zhu informó que una nueva membrana hecha con nanocristales de celulosa demuestra una eficiencia superior en comparación con otras membranas que se usan comúnmente en el mercado. El equipo probó diferentes membranas hechas de nanocristales de celulosa para abaratar las baterías de flujo.
"El costo de nuestra membrana por metro cuadrado es de 147,68 dólares estadounidenses, "Zhu dice, agregando que sus cálculos no incluyen los costos asociados con el marketing. "El precio de cotización de la membrana Nafion comercializada es de 1 dólar, 321 por metro cuadrado ".
Sus pruebas también mostraron que las membranas, hecho con el apoyo de Rogers Corporation y su Centro de Innovación en el Instituto de Investigación Kostas de Northeastern, puede ofrecer una vida útil de la batería sustancialmente más prolongada que otras membranas.
La membrana de origen natural de Zhu es especialmente eficaz porque su estructura celular contiene miles de grupos hidroxilo, que involucran enlaces de hidrógeno y oxígeno que facilitan el transporte de agua en plantas y árboles.
En baterías de flujo, esa composición molecular acelera el transporte de protones a medida que fluyen a través de la membrana.
La membrana también consta de otro polímero conocido como poli (fluoruro de vinilideno-hexafluoropropileno), lo que evita que los ácidos cargados negativa y positivamente se mezclen entre sí.
Debido a la robusta estructura celular proporcionada por la celulosa, que ayuda a las plantas y los árboles a sobrevivir, La nueva membrana de Zhu selecciona e intercambia iones para mejorar la eficiencia de las baterías de flujo de vanadio. Crédito:Ruby Wallau / Northeastern University
"Para estos materiales, Uno de los desafíos es que es difícil encontrar un polímero que sea conductor de protones y que también sea un material muy estable en el ácido que fluye. "Dice Zhu.
Debido a que estos materiales están prácticamente en todas partes, las membranas fabricadas con él se pueden unir fácilmente a gran escala, necesarias para redes eléctricas complejas.
A diferencia de otros materiales artificiales costosos que deben elaborarse en un laboratorio, la celulosa se puede extraer de fuentes naturales, incluidas las algas, residuo sólido, y bacterias.
"Muchos materiales de la naturaleza son compuestos, y si desintegramos sus componentes, podemos usarlo para extraer celulosa, "Dice Zhu." Como desechos de nuestro jardín, y muchos desechos sólidos con los que no siempre sabemos qué hacer ".
