La vida moderna depende de la electricidad y los dispositivos eléctricos, desde automóviles y autobuses hasta teléfonos y computadoras portátiles, hasta los sistemas eléctricos de los hogares. Detrás de muchos de estos dispositivos se esconde un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, el supercondensador. Mi equipo de ingenieros está trabajando para mejorar aún más el almacenamiento de energía de estos supercondensadores mediante el estudio de cómo almacenan energía a nanoescala.
Los supercondensadores, al igual que las baterías, son dispositivos de almacenamiento de energía. Se cargan más rápido que las baterías, a menudo en unos pocos segundos a un minuto, pero generalmente almacenan menos energía. Se utilizan en dispositivos que requieren almacenar o suministrar una ráfaga de energía durante un corto período de tiempo. En su automóvil y en los ascensores, pueden ayudar a recuperar energía durante el frenado para reducir la velocidad. Ayudan a satisfacer la demanda de energía fluctuante en computadoras portátiles y cámaras, y estabilizan las cargas de energía en las redes eléctricas.
Las baterías funcionan mediante reacciones en las que especies químicas dan o toman electrones. Los supercondensadores, por el contrario, no dependen de reacciones y son como una esponja de carga. Cuando sumerges una esponja en agua, absorbe el agua porque la esponja es porosa: contiene poros vacíos donde se puede absorber el agua. Los mejores supercondensadores absorben la mayor carga por unidad de volumen, lo que significa que tienen una alta capacidad de almacenamiento de energía sin ocupar demasiado espacio.
En una investigación publicada en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences en mayo de 2024, mi alumno Filipe Henriquecolaborador Pawel Zuk y yo describen cómo se mueven los iones en una red de nanoporos, o poros diminutos de sólo nanómetros de ancho. Esta investigación algún día podría mejorar las capacidades de almacenamiento de energía de los supercondensadores.
Todo sobre los poros
Los científicos pueden aumentar la capacitancia de un material, o capacidad de almacenar carga, haciendo que su superficie sea porosa a nanoescala. Un material nanoporoso puede tener una superficie de hasta 20.000 metros cuadrados (215.278 pies cuadrados) –el equivalente a unos cuatro campos de fútbol– en sólo 10 gramos (un tercio de onza) de peso.
Durante los últimos 20 años, los investigadores han estudiado cómo controlar esta estructura porosa y el flujo de iones, que son pequeñas partículas cargadas, a través del material. Comprender el flujo de iones puede ayudar a los investigadores a controlar la velocidad a la que un supercondensador se carga y libera energía.
Pero los investigadores aún no saben exactamente cómo fluyen los iones dentro y fuera de los materiales porosos.
Cada poro en una lámina de materiales porosos. Es un pequeño agujero lleno de iones positivos y negativos. La abertura del poro se conecta a un depósito de iones positivos y negativos. Estos iones provienen de un electrolito, un fluido conductor.
Por ejemplo, si pones sal en agua, cada molécula de sal se separa en un ion sodio cargado positivamente y un ion cloruro cargado negativamente.
Cuando la superficie del poro está cargada, los iones fluyen desde el depósito hacia el poro o viceversa. Si la superficie está cargada positivamente, los iones negativos fluyen hacia el poro desde el depósito y los iones cargados positivamente salen del poro a medida que son repelidos. Este flujo forma condensadores que mantienen la carga en su lugar y almacenan energía. Cuando se descarga la carga superficial, los iones fluyen en dirección inversa y se libera energía.
Ahora, imagina que un poro se divide en dos poros ramificados diferentes. ¿Cómo fluyen los iones desde el poro principal a estas ramas?
Piense en los iones como automóviles y los poros como carreteras. El flujo de tráfico en una sola carretera es sencillo. Pero en una intersección se necesitan reglas para evitar accidentes o atascos, por eso tenemos semáforos. y rotondas. Sin embargo, los científicos no comprenden totalmente las reglas que siguen los iones que fluyen a través de una unión. Descubrir estas reglas podría ayudar a los investigadores a comprender cómo se cargará un supercondensador.
Modificando una ley de la física
Los ingenieros generalmente utilizan un conjunto de leyes físicas llamadas «las leyes de kirchoff”para determinar la distribución de corriente eléctrica a través de una unión. Sin embargo, las leyes del circuito de Kirchhoff se derivaron para el transporte de electrones, no para el transporte de iones.
Los electrones sólo se mueven cuando hay un campo eléctrico, pero los iones pueden moverse sin campo eléctrico, mediante difusión. De la misma manera que una pizca de sal se disuelve lentamente en un vaso de agua, los iones se mueven de áreas más concentradas a áreas menos concentradas.
Las leyes de Kirchhoff son como principios de contabilidad para uniones de circuitos. La primera ley dice que la corriente que entra en un cruce debe ser igual a la corriente que sale de él. La segunda ley establece que voltaje, la presión que empuja a los electrones a través de la corriente, no puede cambiar abruptamente a través de un cruce. De lo contrario, se crearía una corriente extra y se alteraría el equilibrio.
Dado que los iones también se mueven por difusión y no sólo mediante el uso de un campo eléctrico, mi equipo modificó las leyes de Kirchhoff para adaptarlas a las corrientes iónicas. Reemplazamos el voltaje, V, con un voltaje electroquímico, φ, que combina voltaje y difusión. Esta modificación nos permitió analizar redes de poros, lo que antes era imposible.
Utilizamos la ley de Kirchoff modificada para simular y predecir cómo fluyen los iones a través de una gran red de nanoporos.
El camino por delante
Nuestro estudio encontró que dividir la corriente de un poro en uniones puede ralentizar la velocidad con la que los iones cargados fluyen hacia el material. Pero eso depende de dónde esté la división. Y la forma en que estos poros están dispuestos en los materiales también afecta la velocidad de carga.
Esta investigación abre nuevas puertas para comprender los materiales de los supercondensadores y desarrollar otros mejores.
Por ejemplo, nuestro modelo puede ayudar a los científicos a simular diferentes redes de poros para ver cuál coincide mejor con sus datos experimentales y optimizar los materiales que utilizan en los supercondensadores.
Si bien nuestro trabajo se centró en redes simples, los investigadores podrían aplicar este enfoque a redes mucho más grandes y complejas para comprender mejor cómo la estructura porosa de un material afecta su rendimiento.
En el futuro, se podrán fabricar supercondensadores a partir de materiales biodegradablesfuerza dispositivos portátiles flexiblesy tal vez personalizable mediante impresión 3D. Comprender el flujo de iones es un paso clave hacia la mejora de los supercondensadores para una electrónica más rápida.
Este artículo se republica desde La conversación, una organización de noticias independiente y sin fines de lucro que le brinda datos y análisis confiables para ayudarlo a comprender nuestro complejo mundo. Fue escrito por: Ankur Gupta, Universidad de Colorado en Boulder
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Ankur Gupta recibe financiación de NSF.
