Nanotecnología y Energía

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Rincón Técnico
Nanotecnología y Energía
Nanotecnologia y energía
Recientemente ha comenzado una revolución científica y tecnológica basada en la
habilidad de manipular y organizar sistemáticamente la materia en la nanoescala. La
nanotecnología es la creación de materiales, dispositivos y sistemas funcionales
mediante el control de la materia en la escala de longitud del nanómetro (1-100
nanómetros). En comparación, un tamaño de 10 nanómetros es unas 1000 veces menor
que un cabello.
Este nanocable mide 100
nanómetros de diámetro
Nanocables de Enable IPC
empleados para realizar baterías
minúsculas
recargables,
comparados con el tamaño de un
cabello humano.
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La nanotecnología explota nuevos fenómenos y propiedades (físicas, químicas,
mecánicas, eléctricas, biológicas...) y promete crear nuevos productos y procesos en un
amplio espectro de categorías de productos: electrónica, computación, sensores,
materiales estructurales, etc. La nanotecnología constituye una parte significativa de la
inversión en I+D de todas las naciones desarrolladas. En Europa es una de las líneas
prioritarias del VI Programa Marco.
Particularmente la nanotecnología puede realizar importantes contribuciones para atender
el desafío de una energía limpia a gran escala. Richard E. Smalley es un pionero en la
revolución de la nanotecnología por su descubrimiento de la estructura en forma esférica
de C60 conocida como “bucksminsterfullerene” o simplemente “fullereno”, por la que
obtuvo el premio Nobel de 1996. Los fullerenos han dado lugar a una familia de
nanoestructuras de carbono con excelentes propiedades para numerosas aplicaciones
(Fig.a). Smalley ha propuesto que el principal desafío de la nanotecnología es conducir los
desarrollos para una Revolución Energética necesaria, con el fin de producir y distribuir 30
– 60 TW de energía libre de carbono en 2050.
Fig. a. Estructuras de carbono: diamante,
grafito, fullereno, nanotubo.
Los principales objetivos de la investigación en nanotecnología para afrontar el desafío
energético según un reciente informe de NNI.
Objetivos de la nanotecnología en el campo de la energía.
1
Métodos de gran escala para disociar el agua directamente con la luz del sol para
producir hidrógeno.
2
Transformación fotovoltaica de la luz solar con eficiencia del 20 % y coste 100
veces menor.
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3
Materiales reversibles de almacenamiento de hidrógeno que operen a temperatura
ambiente.
4
Pilas de combustible, baterías, supercondensadores, de bajo coste, construidos
con materiales nanoestructurados.
5
Líneas de transmisión de potencia capaces de transmitir un gigawatio.
6
Iluminación de estado sólido al 50% del consumo de potencia actual.
7
Materiales ultraresistentes y ultraligeros para mejorar la eficiencia de coches,
aviones, etc.
8
Catalíticos altamente selectivos para manufactura limpia y eficiente
energéticamente.
9
Síntesis de materiales y recolección de energía basada en los mecanismos
eficientes y selectivos de la biología.
Un dispositivo nanoestructurado muy celebrado es una nueva clase de células solares
descubierta por Michael Grätzel en 1991. El presente autor ha realizado numerosas
contribuciones científicas en este campo. La célula solar de dióxido de titanio
nanoestructurado ilustra varios aspectos característicos de los dispositivos de nanoescala.
Se forma con nanopartículas de dióxido de titanio, un material muy abundante y no tóxico
(Fig. b). La nanoestructura multiplica en un factor 1000 el área en que un colorante
absorbido en la superficie, puede ser fotoexcitado y generar fotocorriente, con una
eficiencia de conversión de luz en electricidad de 10%. Por lo tanto, manipulando y
agregando elementos de poca pureza se consigue un dispositivo fotovoltaico que requiere
procesos de producción muy simples y materias primas baratas. Por ahora este
dispositivo está limitado por problemas de estabilidad. En general el control de los
procesos físico-químicos en las interfaces es un aspecto fundamental para el éxito de los
dispositivos de nanoescala.
Fig. b. Esquema de la célula solar de
dióxido de titanio nanoestructurado
sensitivizado con colorante.
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La empresa Hydrogen Solar, recientemente constituida, ha anunciado un sistema para
producir hidrógeno, rompiendo el agua directamente a partir de la luz solar. El dispositivo,
denominado Tandem Cell, ha sido desarrollado por Michael Grätzel y colaboradores. El
sistema se basa en la utilización de dos fotosistemas nanocristalinos conectados en serie
(Fig. c). Una película delgada de trióxido de Wolframio, WO3, o de Fe2O3 sirve como
absorbente de la luz solar en la región ultravioleta-azul del espectro solar. El segundo
fotosistema consiste en una celda solar de TiO2 nanocristalino sensitivizado con colorante
como las descritas anteriormente. Este último fotosistema se dispone debajo del anterior
para absorber la radiación correspondiente a la parte verde y roja del espectro solar. La
combinación de las dos células proporciona el potencial necesario para disociar las
moléculas de agua en el electrolito. Se ha comunicado una eficiencia de conversión de luz
solar a gas hidrógeno del 8%, que podría incrementar a 15% con más desarrollo.
Fig.c. Esquema de la célula de producción de hidrógeno
Tandem Cell de Hidrogen Solar Ltd.
Almacenamiento de energía eléctrica: Baterías y supercondensadores
Sistemas electroquímicos
En las baterías se obtiene almacenamiento de energía en forma química fácilmente
recuperable como electricidad. Muchos de los dispositivos actuales de almacenamiento de
energía, como las baterías y los supercondensadores, se basan en los conceptos de una
vieja ciencia creada por Alessandro Volta: la electroquímica. En la electroquímica
tradicional se controlan reacciones químicas de tipo redox (reducción-oxidación) mediante
el potencial eléctrico de los electrodos metálicos inmersos en la disolución.
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Más recientemente, las posibilidades de los dispositivos electroquímicos se han
multiplicado utilizando capas de materiales activos extendidas sobre el contacto metálico,
por ejemplo un polímero conductor. La batería de ion litio opera según este principio de
diseño general, y se ha convertido en una tecnología de almacenamiento de energía muy
extendida, que ha su vez ha suscitado un gran interés por las nuevas aplicaciones de la
electroquímica para almacenamiento de energía.
Fig. d. El uso de materiales nanoestructurados en una
batería recargable de litio (abajo) aumenta notablemente
el área activa (en morado) para realizar transferencia de
carga respecto de la configuración plana (arriba).
El uso de materiales activos como electrodos incrementa las posibilidades de realizar
dispositivos funcionales muy eficientes en dos sentidos: Se puede estructurar (o
nanoestructurar) el electrodo para incrementar su área activa (Fig. d). Y se puede mejorar
los materiales en contacto para optimizar sus funciones, facilitando los pasos elementales
de conversión de energía que ocurren en la nanoescala: transferencia de carga,
reorganización molecular, reacciones químicas, etc. El desarrollo de nuevos materiales de
nanoescala, así como los métodos de caracterizarlos, manipularlos, y ensamblarlos, ha
creado un contexto radicalmente nuevo para desarrollar tecnologías de energía. Además
de miniaturizar y de mejorar el funcionamiento de la tecnología convencional de la batería,
la nanoingeniería también se está utilizando para mejorar sobre los tiempos entre
recargas, el tamaño, el peso y la longevidad de los acumuladores de energía.
También ha sido necesario extender los conceptos de la electroquímica, ya que los
nuevos tipos de dispositivos, no funcionan sólo mediante reacciones de transferencia de
carga en la superficie del electrodo. De hecho los iones entran en el electrodo y modifican
su composición: ocurren procesos de intercalación, reacción química y transporte en
estado sólido, en combinación con la etapa clásica de transferencia interfacial de carga.
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Baterías recargables de ion Li
La batería recargable de ion litio, con mucha mayor densidad de energía y menor peso
que su antecesor, la batería de Ni-MH, la reemplazó tan pronto como fue producida.
Ahora es el sistema empleado en dispositivos electrónicos portátiles, y también amenaza
a la Ni-MH para la aplicación en vehículos híbridos. La célula de ion Li tiene un ánodo de
carbono/grafito, un cátodo de óxido de litio-cobalto, y un electrolito orgánico (Fig. e). Tanto
el ánodo como el cátodo funcionan con mecanismo de inserción de átomos de Li.
Fig. e. Esquema del
funcionamiento de la
batería de ion litio.
Sony introdujo la batería de ion litio en 1991. Desde entonces ha doblado con creces su
capacidad, en respuesta a la demanda para dispositivos electrónicos portátiles de altas
prestaciones, como el ordenador portátil y el teléfono móvil. Nuevos materiales de ánodo y
cátodo seguramente permitirán doblar a su vez las prestaciones actuales en los próximos
10 años. El mercado de Li ion probablemente se segmentará en una parte de altas
prestaciones, con mayor coste, que continuará aumentando en densidad de energía, y un
segmento de materiales de menor coste pero con grandes prestaciones de rapidez de
respuesta para vehículos eléctricos híbridos.
El desarrollo de baterías con nuevas prestaciones se encuentra en fuerte desarrollo. Por
ejemplo Cymbet™ Corporation ha desarrollado el sistema POWER FAB™ que es una
batería recargable de ion litio flexible que puede adoptar prácticamente cualquier forma y
adaptarse a cualquier superficie para actuar como fuente de potencia, eliminando la
necesidad de compartimientos para baterías convencionales (Fig. f).
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Fig. f. Baterías de capa ultradelgada
POWER FAB™.
Supercondensadores
Mientras que los condensadores electrostáticos se han empleado durante más de un siglo
como acumuladores de energía, sus bajos valores de capacidad les han limitado
tradicionalmente a aplicaciones de baja potencia como componentes en circuitos
analógicos. En los últimos años, la habilidad de construir materiales de gran área interna y
electrodos de baja resistencia, así como la comprensión de los procesos que ocurren en
la superficie del material, ha dado lugar a la posibilidad de condensadores que acumulan
mucha más energía. Los condensadores electroquímicos de alta potencia, comúnmente
denominados supercondensadores.
Las placas de los supercondensadores se construyen con varios tipos de materiales
electroactivos: carbono, polímeros conductores, óxidos metálicos, de gran superficie
interna. El almacenamiento de carga eléctrica ocurre mediante la acumulación de iones en
la superficie interna, que forman una doble capa eléctrica en combinación con los
electrones en el material conductor (Fig. g). Normalmente se emplea un electrolito líquido
y un separador que impide el contacto electrónico entre las placas pero permite el flujo de
iones durante la carga y descarga. El electrolíto líquido limita el dominio de voltaje de
estabilidad de los supercondensores (1 – 3 V).
Fig. g. Esquema del funcionamiento de un supercondensador
de doble capa.
Los supercondensadores electroquímicos constituyen una nueva tecnología que ocupa un
nicho entre otros dispositivos de almacenamiento de energía previamente vacante, como
se ve en la Fig. h. Son capaces de almacenar mayor cantidad de energía que los
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condensadores convencionales, y suministran máspotencia que las baterías. En los
supercondensadores basados en materiales carbonáceos no ocurre ninguna reacción
química, por lo tanto los dispositivos no se degradan con los ciclos de uso.
Fig. h. Diagrama de Ragone simplificado (densidad de potencia
respecto de densidad de energía) de los dominios de
almacenamiento
de
energía
para
varios
sistemas
electroquímicos
de
conversión
de
energía
(baterías,
supercondensadores y pilas de combustible), comparados con el
motor de combustión interna y turbinas y condensadores
convencionales.
Energía y potencia para vehículos eléctricos
Objetivos de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos de 40 kWh25
Características
Densidad de potencia (W/L)
Potencia específica de descarga, 80%
10s (W/kg)
Potencia específica de regeneración,
20%/10 s (W/kg)
Densidad de energía (Wh/L)
Densidad de energía (Wh/kg)
Objetivo a
plazo medio
Objetivo mínimo de
comercialización
Objetivo a largo
plazo
250
460
600
250
460
600
75
150
200
135
230
300
80
150
200
El desarrollo del vehículo eléctrico, accionado por fuentes de energía eficientes y limpias
tales como la célula de combustible y la batería recargable, es un objetivo de grandes
inversiones y de investigación competitiva a través del mundo. Mientras que la batería
recargable de litio proporciona la densidad adecuada de energía para la conducción a un
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ritmo estable, es difícil proporcionar el incremento de potencia que se necesita para un
arranque rápido e instantáneo. Es muy necesario, por lo tanto, desarrollar un dispositivo
de almacenaje para proporcionar energía adecuada tanto en el lanzamiento rápido
(densidad de potencia) como en la conducción sostenida (densidad de energía). Se
estima que actualmente la construcción e integración de un vehículo eléctrico híbrido
aumenta en unos 10.000 $ el coste de un coche ligero, de los cuales los sistemas de
almacenamiento de energía contribuyen unos 2.000 $. Una prioridad del programa
FreedomCAR es el desarrollo para el año 2010 de un sistema de propulsión integrado con
una vida de 15 años que pueda proporcionar al menos 55 kW de potencia durante 18
segundos y 30 kW continuamente a un coste de 12 $/kW pico. Este objetivo reducirá los
costes de la tracción motora y aumentará notablemente la competitividad de los vehículos
eléctricos híbridos.
Básicamente hay dos estrategias para realizar simultáneamente la alta densidad de
energía y alta densidad de potencia:
(1) aumentar la densidad de potencia de la propia batería recargable del litio y
(2) Aumentar la densidad de potencia empleando supercondensadores.
Dispositivos nanoestructurados
Tanto en las baterías de ion litio, como en los supercondensadores, se emplean
estructuras microporosas para incrementar la superficie electroquímicamente activa. Para
aumentar las prestaciones de estos dispositivos, se estudian maneras de realizar
nanoestructuras específicamente diseñadas para obtener propiedades óptimas de
transferencia y acumulación de carga. Por ejemplo se puede emplear un nanocompuesto
mesoporoso con nano-canales orientados para electrodo negativo de la batería
recargable de litio (Fig. i).Esta configuración permite un transporte muy rápido del ion litio
a través del electrolito en los nano-canales, lo que resulta un factor clave para acelerar el
suministro de energía y por tanto, incrementar la densidad de potencia. También se
aprovecha mejor la absorción y desorción química del ión litio en la superficie interna del
nano-canal, consiguiéndose características de supercondensador. Se mantiene la
densidad de energía tan alta como en la batería recargable del litio convencional, pero se
aumenta la densidad de potencia hasta dos órdenes de magnitud. El transporte
electrónico en el sólido también se mejora, incorporando óxidos conductores electrónicos
en la red tridimensional.
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Fig. i. Transporte de electrones e iones a
través de nanocanales en una batería de
litio
con
características
de
supercondensador.
Materiales avanzados
Las prestaciones necesarias en sistemas de propulsión de vehículos eléctricos requerirán
seguramente nuevas soluciones de materiales para formar dispositivos de acumulación
de energía y potencia. Las estructuras híbridas orgánico-inorgánico (Fig. j) son muy
prometedoras.
En particular P.Gómez Romero del Instituto de Materiales de Barcelona ha realizado
investigaciones pioneras que demuestran la utilidad de la integración de nanoclusters
metálicos en polímeros conductores como polianilina, para formar baterías y
supercondensadores. Estos nanoclusters tienen la capacidad de almacenar un gran
número de electrones, y el polímero proporciona un medio conveniente de mantener los
nanoclusters conectados al electrodo, así como de alojar iones intercalados.
Fig. j. Estructuras de nanoclusters PMo12
integrados en polímero conductor
polianilina.
Fuente: Grup de dispositius fotovoltaics I optoelectónics
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