Científicos buscan una solución para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos y residencias

Un estudio del Centro de Investigaciones en Ingeniería de la FAPESP y Shell, con sede en la Universidad de Campinas, en Brasil, apunta a desarrollar supercapacitores que puedan acumular una mayor cantidad de carga y baterías que se carguen más rápidamente

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las baterías y los supercapacitores son tecnologías de almacenamiento de energía complementarias. Las primeras son más apropiadas cuando se considera la cantidad total de energía almacenada, en tanto que los segundos lo son cuando lo que interesa es la potencia, es decir, qué cantidad de carga o descarga de energía puede producirse por unidad de tiempo.

Teniendo en cuenta esta complementariedad, la División de Almacenamiento de Energía Avançado del Center for Innovation New Energies (CINE) –un Centro de Investigaciones en Ingeniería (CPE) constituido por la FAPESP y la petrolera Shell con sede en la Universidad de Campinas (Unicamp)–, ha venido trabajando en ambos frentes en busca de mejorar tecnologías que abarcan desde supercapacitores, para que almacenen más energía, hasta baterías que se recarguen más rápidamente y tengan una vida útil más larga.

Dos artículos que el grupo ha publicado ilustran esta realidad: Radially ordered carbon nanotubes performance for Li-O₂ batteries: pre-treatment influence on capacity and discharge products y Niobium pentoxide nanoparticles @ multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors.

“En el primer artículo mostramos que es fundamental la funcionalización de la superficie para mejorar las características de las baterías. Informamos acerca de un nuevo tipo de electrodos para baterías de litio-oxígeno [Li-O₂] basado en nanotubos de carbono de paredes múltiples, funcionalizados mediante pretratamientos, lo que derivó en sitios activos más eficaces”, declara a Agência FAPESP Gustavo Doubek, uno de los investigadores asociados de la División, que es más conocida por sus siglas AES, formadas por las iniciales de la expresión en inglés Advanced Energy Storage. El líder de la AES es Rubens Maciel Filho, profesor titular de la Unicamp y uno de los coordinadores del Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN). 

En el primer artículo, los científicos demostraron que es posible hacer uso de la elevada área superficial de los nanotubos de carbono, con excelente estabilidad electroquímica, para la adsorción de O₂ y la formación de LiO y LiO₂, agentes fundamentales para el almacenamiento de carga en baterías de Li-O₂.

“El segundo artículo aborda los ‘pseudocapacitores’, que son capacitores que utilizan ventajas de procesos faradaicos como las baterías”, afirma Hudson Zanin, investigador de la AES. Cabe recordar que los procesos faradaicos son aquellos que comprenden la transferencia directa de electrones mediante reacciones de oxidación en uno de los electrodos y reacciones de reducción en el otro.

“La idea consistió en combinar electrodos de elevadísima área superficial de carbón activado para el almacenamiento electrostático con pentóxido de niobio, que puede tanto oxidar como reducir”, informa Zanin.

“Aparte de la calidad, estamos produciendo en cantidad y abordando diversos aspectos que deben tenerse en cuenta en el desarrollo de tecnologías de baterías y supercapacitores. Somos 40 investigadores activos elaborando un artículo por mes en promedio. Estamos realizando un esfuerzo concentrado para mejorar la interfaz entre la academia y el sector productivo, de manera tal que todo el conocimiento que se genera lo aproveche la industria nacional”, añade.

Con este objetivo de mejorar la interfaz academia-industria, la AES puso en marcha las actividades de la primera planta piloto de producción de supercapacitores de América Latina, en la cual se fabricarán inicialmente supercapacitores y luego baterías de iones de litio, de litio-azufre y de iones de sodio (más detalles en el canal de YouTube y en sitio web del CINE).

“Todas las células se elaboran primeramente a pequeña escala, en pastillas del tamaño de una moneda de un real. Con ellas analizamos los cambios que ocurren en el electrodo y en el electrolito a medida que se carga y se descarga. Estas pruebas iniciales nos permiten entender los procesos de almacenamiento, efectuar mejoras y corregir eventuales fallas”, detalla Zanin. 

Y prosigue: “Después de consolidar las mejores configuraciones, expandimos las células a dispositivos rectangulares tipo pouch, de cinco centímetros por siete centímetros, similares a teléfonos celulares. La idea es llegar a desarrollar sistemas que puedan aplicarse en vehículos eléctricos, mediante la asociación de varias de estas células”.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Radially ordered carbon nanotubes performance for Li-O₂ batteries: pre-treatment influence on capacity and discharge products en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0920586119305279. Y el artículo intitulado Niobium pentoxide nanoparticles @ multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors se encuentra disponible en: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829719309201.