Por Jeremy Cook
La transición a fuentes de energía renovables como la solar y la eólica requiere nuevos métodos de almacenamiento. Las nubes pueden oscurecer el sol durante días y además, la energía solar no está disponible por la noche; el viento puede ser aún más cambiante. El almacenamiento nos ayuda a superar brechas inevitables de generación de energía y cubre picos localizados en el consumo.
Las baterías de iones de litio actuales son increíbles, pero solo pueden cargarse y descargarse con rapidez y tienen una vida útil limitada. Además, extraer litio de la tierra es complicado y esto conlleva impactos ambientales. Hoy en día, Estados Unidos produce menos del 1 % del litio del mundo, lo que representaría un posible cuello de botella para la producción.
Los supercondensadores, que pueden cargarse/descargarse a un ritmo mucho más rápido y con mayor frecuencia que las baterías de iones de litio, ahora se utilizan con el objetivo de aumentar el almacenamiento actual en baterías para lograr entradas y salidas rápidas de energía. La tecnología de baterías de grafeno, o supercondensadores de grafeno, puede ser una alternativa a las baterías de litio en algunas aplicaciones.
Energía instantánea y suministro de energía a largo plazo
La gran ventaja de los supercondensadores es su capacidad de alta potencia. La desventaja es una baja densidad energética total. Estas propiedades pueden parecer contradictorias, pero debemos tener presente la definición de ambos términos:
potencia = trabajo/tiempo, expresado en unidades del SI como julios/segundo
densidad de energía = energía almacenada/volumen, expresada en unidades del SI como julios/m^3
Si bien la unidad en el numerador es la misma, se trata de dos cantidades distintas. La potencia es la capacidad de liberar una cantidad de energía durante un período de tiempo específico, mientras que la densidad de energía es la capacidad de almacenar una cantidad específica de energía, independientemente del período de tiempo.
Lo ideal sería tener valores altos para ambos, pero los supercondensadores suelen tener una capacidad de descarga de alta potencia y una baja densidad de energía. Por lo tanto, aunque un supercondensador puede producir una liberación masiva de energía durante un instante, no puede mantener este índice (o uno menor) de producción de energía durante casi tanto tiempo si lo comparamos con una batería de iones de litio. A menudo, las aplicaciones actuales utilizan un supercondensador para equilibrar los aportes y gastos energéticos considerables (por ejemplo, frenado regenerativo y aceleración rápida), mientras que las necesidades de energía a más largo plazo son abordadas mediante baterías.
El desafío consiste en aumentar la densidad de energía del supercondensador y, al mismo tiempo, mantener una excelente capacidad de energía instantánea. La respuesta viene en la forma de un material maravilloso: el grafeno.
¿El grafeno es el almacenamiento de energía del futuro?
Los supercondensadores suelen utilizar capas de ánodos y cátodos hechas de láminas metálicas recubiertas con carbón activado y separadas por una membrana semipermeable que contiene una solución electrolítica. Las capas de este sándwich de carbono y membranas se enrollan o apilan en la carcasa de condensador, lo que les permite almacenar cargas mediante el movimiento de los iones en el electrolito.
Atribución: Tosaka, trabajo propio, CC BY 3.0 | Construcción esquemática de un supercondensador con electrodos apilados: 1. electrodo positivo, 2. electrodo negativo, 3. separador
El carbón activado puede ser muy delgado para esta aplicación, en el orden de una décima de milímetro de espesor, pero ofrece una gran área de superficie: varios centímetros cuadrados por cada partícula de 0,1 mm. Sin embargo, el grafeno viene en láminas de moléculas en 2D de 1 átomo de espesor, con un área de superficie específica similar a la del carbón activado. Se puede extender en una capa muy delgada para obtener una disposición de conductores ultradensa. El grafeno es un excelente conductor, lo que implica una mínima pérdida de calor y, en teoría, una entrega de energía incluso mejor que los supercondensadores de carbón activado.
El problema es fabricar condensadores de grafeno a escala. Sin embargo, dada la promesa del grafeno, los investigadores están trabajando en este tipo de implementación a puertas cerradas. Si bien es posible que el grafeno no elimine por completo las baterías de iones de litio, las mejoras en los supercondensadores que utilizan grafeno podrían ayudar a que este dispositivo de almacenamiento de energía sea más eficiente y tenga una mayor densidad energética.
Entre las demás opciones de almacenamiento avanzadas, ¿todavía se considera al carbono?
El grafeno no es la única opción de almacenamiento avanzado que se está desarrollando. Para el almacenamiento de energía, también se ha propuesto el uso de nanotubos de carbono; es decir, otra disposición del carbono en moléculas tubulares largas, a diferencia de las láminas de grafeno. Las bolas de grafeno y las láminas de grafeno curvadas y arrugadas son otras posibilidades basadas en carbono para el almacenamiento de energía.
Cómo controlar la potencia
Si bien la capacidad de entregar una enorme cantidad de energía se considera como algo positivo, esta debe controlarse para lograr un uso adecuado. Los transistores de SiC pueden usarse para esta función. Además, se deben implementar tecnologías de medición de corriente para garantizar una correcta aplicación de energía y potencia.
Curiosamente, la producción avanzada de carbono en sus diversas formas junto con el silicio (y la combinación de ambos) parece ser la promesa del futuro en cuanto al manejo de energía. La dificultad actual radica en tomar ideas que funcionen en la teoría o a pequeña escala y aplicarlas a productos cotidianos que mejoren nuestra vida. Una vez que estas técnicas se perfeccionen e implementen, podremos prever un futuro con mayor eficiencia energética y dispositivos con aún más capacidad.
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