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Los nanomateriales, fundamentales para el desarrollo de las baterías y almacenar mejor la energía

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El desafío de construir un futuro energético que conserve y mejore el planeta es una tarea enorme. Pero todo depende de las partículas cargadas que se mueven a través de materiales invisiblemente pequeños.

Los científicos y los políticos han reconocido la necesidad de un cambio urgente y considerable en los mecanismos mundiales de producción y consumo de energía para detener su impulso hacia el cataclismo ambiental. Una corrección del curso de esta magnitud es ciertamente desalentadora, pero un nuevo informe en la revista Science sugiere que el camino tecnológico para lograr la sostenibilidad ya ha sido allanado, es solo una 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 en las últimas dos décadas ha permitido el gran paso que será necesario para hacer uso de fuentes de energía sostenibles.

"La mayoría de los problemas más importantes que enfrenta el impulso por la sostenibilidad se pueden relacionar con la necesidad de un mejor almacenamiento de energía", dijo Yury Gogotsi, profesor 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 las fuentes de energía renovables, la estabilización de la red eléctrica, la gestión de las demandas de energía de nuestra tecnología inteligente y conectada omnipresente o la transición de nuestro transporte hacia la electricidad, la pregunta que enfrentamos es cómo mejorar la tecnología de almacenamiento de energía. Después de décadas de investigación y desarrollo, los nanomateriales pueden ofrecer la respuesta a esa pregunta".

Los autores presentan un análisis exhaustivo sobre el estado de la investigación del almacenamiento de energía que involucra nanomateriales y sugieren la dirección que la investigación y el desarrollo deben tomar para que la tecnología alcance la viabilidad general.

La mayoría de todos los planes para la sostenibilidad energética, desde el Green New Deal hasta el Acuerdo de París, hasta las diversas políticas regionales de emisiones de carbono, afirman la necesidad de frenar el consumo de energía y al mismo tiempo aprovechar nuevas fuentes renovables, como la energía solar y eólica. El cuello de botella para ambos esfuerzos es la necesidad de una mejor tecnología de almacenamiento de energía.

El problema con la integración de recursos renovables en nuestra red de energía es que es difícil administrar la oferta y la demanda de energía dada la naturaleza impredecible de la propia naturaleza (valga la redundancia). Por lo tanto, los dispositivos de almacenamiento de energía masivos son necesarios para acomodar toda la energía que se genera cuando el sol brilla y sopla el viento y luego poder inyectarlo rápidamente durante los períodos de alto uso de energía.

"Cuanto mejor almacenemos energía, más podremos 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 preservará los cultivos, entonces podría ser difícil pasar un largo invierno. En la industria energética en este momento, se podría decir que todavía estamos tratando de construir el silo adecuado para nuestra cosecha, y ahí es donde los nanomateriales pueden ayudar ”.

LA SOLUCIÓN

Descartar el logjam de almacenamiento de energía ha sido un objetivo concertado para los científicos que aplican los principios de ingeniería para crear y manipular materiales a nivel atómico. Sus esfuerzos en la última década, que se destacaron en el informe, ya han mejorado las baterías que alimentan los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y los coches eléctricos.

"Muchos de nuestros mayores logros en el 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 las baterías para que se carguen más rápido y duren más. Y un número cada vez mayor de baterías usa partículas de nano-silicio en sus ánodos para aumentar la cantidad de energía almacenada. La introducción de nanomateriales es un proceso gradual y veremos más y más materiales a nanoescala dentro de las baterías en el futuro”.

El diseño de la batería, durante mucho tiempo, se ha basado principalmente en encontrar materiales de energía progresivamente mejores y combinarlos para almacenar más electrones. Pero, más recientemente, los desarrollos tecnológicos han permitido a los científicos diseñar los materiales de los dispositivos de almacenamiento de energía para servir 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 baterías, condensadores y supercondensadores. Su forma y estructura atómica pueden acelerar el flujo de electrones, el latido del corazón de la energía eléctrica. Y su amplia superficie proporciona más lugares de descanso para las partículas cargadas.

La efectividad de los nanomateriales incluso ha permitido a los científicos repensar el diseño básico de las baterías. Con materiales metálicos nanoestructurados que aseguran que los electrones puedan fluir libremente durante la carga y descarga, las baterías pueden perder un poco de peso y tamaño al eliminar los colectores de corriente de lámina de metal 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 se hacen más pequeñas, se cargan más rápido, duran más y se desgastan lentamente, pero también pueden ser masivas, cargarse progresivamente, almacenar enormes cantidades de energía durante largos períodos de tiempo y distribuirla a demanda.

"Es un momento muy emocionante para trabajar en el área de los materiales de almacenamiento de energía a nanoescala", dijo Ekaterina Pomerantseva, profesor asociado en 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 los bloques de Lego, y deben combinarse de manera inteligente para producir una estructura innovadora con un rendimiento superior al de 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 Legos, no siempre está claro cómo se pueden combinar diferentes nanopartículas para crear arquitecturas estables. Y a medida que estas arquitecturas deseadas a nanoescala se vuelven cada vez más avanzadas, esta tarea se vuelve cada vez más desafiante, lo que desencadena el pensamiento crítico y la creatividad de los científicos ".

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 obstáculo importante, y se necesitan técnicas de fabricación a bajo costo y a gran escala", explica 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 humanos y el medio ambiente, también en caso de incendio accidental, incineración o vertido en los desechos", dijo Gogotsi.

Lo que todo esto significa, 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 requieren las políticas a futuro.

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Unión Europea. Además de Gogotsi, el artículo fue escrito por Ekaterina Pomerantseva, PhD, de Drexel; Francesco Bonaccorso, PhD, del Institutio Italiano di Technologia; Xinliang Feng, PhD, de la Technische Universität Dresden; y Yi Cui, PhD, de la Universidad de Stanford.

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