Imagen: Zbigniew Nowak. Fuente: PhotoXpress.
Un trozo de madera recubierto con estaño puede convertirse en una pequeña batería de larga duración, eficiente y respetuosa con el medio ambiente, han demostrado científicos de la Universidad de Maryland (EEUU).
Los materiales utilizados para desarrollar esta batería fueron mil veces más finos que una hoja de papel.
Además, en su fabricación, se empleó el sodio en lugar del litio, como se hace en muchas baterías recargables, para que el dispositivo no resultase nocivo para el medioambiente. Dado que el sodio no almacena energía de manera tan eficiente como el litio, la batería creada no podrá usarse en teléfonos móviles, por ejemplo.
Sin embargo, su bajo coste y el hecho de estar fabricada con materiales comunes la harían adecuada para el almacenamiento continuo de grandes cantidades de energía, como en las plantas de energía solar.
¿Por qué la madera?
Actualmente, las baterías a menudo se fabrican con bases rígidas, que son demasiado frágiles para soportar la expansión y la contracción que se producen cuando se almacenan en ellas los electrones o durante el uso.
Liangbing Hu, Teng Li y sus colaboradores descubrieron que las fibras de madera son lo suficientemente flexibles como para permitir que la batería resista más de 400 ciclos de carga. Esto situaría estos dispositivos al mismo nivel de resistencia que las nanobaterías más duraderas existentes.
"La inspiración para esta idea proviene de los árboles", afirma Hu en un comunicado de la Universidad de Maryland, en la que trabaja como profesor de ciencias de los materiales.
"Las fibras de la madera que forman un árbol han albergado agua rica en minerales, por lo que son ideales para el almacenamiento de electrolitos líquidos y para funcionar no sólo como base, sino también como parte activa de la batería”, añade Hu.
Hay que tener en cuenta que los electrolitos son soluciones de sales en agua que dan lugar a la formación de iones, y que permiten que la energía eléctrica pase a través de ellos.
Los materiales utilizados para desarrollar esta batería fueron mil veces más finos que una hoja de papel.
Además, en su fabricación, se empleó el sodio en lugar del litio, como se hace en muchas baterías recargables, para que el dispositivo no resultase nocivo para el medioambiente. Dado que el sodio no almacena energía de manera tan eficiente como el litio, la batería creada no podrá usarse en teléfonos móviles, por ejemplo.
Sin embargo, su bajo coste y el hecho de estar fabricada con materiales comunes la harían adecuada para el almacenamiento continuo de grandes cantidades de energía, como en las plantas de energía solar.
¿Por qué la madera?
Actualmente, las baterías a menudo se fabrican con bases rígidas, que son demasiado frágiles para soportar la expansión y la contracción que se producen cuando se almacenan en ellas los electrones o durante el uso.
Liangbing Hu, Teng Li y sus colaboradores descubrieron que las fibras de madera son lo suficientemente flexibles como para permitir que la batería resista más de 400 ciclos de carga. Esto situaría estos dispositivos al mismo nivel de resistencia que las nanobaterías más duraderas existentes.
"La inspiración para esta idea proviene de los árboles", afirma Hu en un comunicado de la Universidad de Maryland, en la que trabaja como profesor de ciencias de los materiales.
"Las fibras de la madera que forman un árbol han albergado agua rica en minerales, por lo que son ideales para el almacenamiento de electrolitos líquidos y para funcionar no sólo como base, sino también como parte activa de la batería”, añade Hu.
Hay que tener en cuenta que los electrolitos son soluciones de sales en agua que dan lugar a la formación de iones, y que permiten que la energía eléctrica pase a través de ellos.
La madera como amortiguador mecánico
La autora principal de la batería, Hongli Zhu, y otros miembros del equipo de investigación constataron que, después de cargar y descargar las baterías cientos de veces, la madera empleada terminó arrugada pero intacta.
Modelos computacionales demostraron, además, que estas arrugas relajaban eficazmente la tensión de la batería durante la carga y la recarga, de modo que ésta podía sobrevivir a muchos ciclos.
"Las fibras de madera son lo suficientemente suaves como para servir de amortiguador mecánico, por lo que pueden adaptarse a los cambios en el estaño.
Esta es la clave para las baterías de iones de sodio de larga duración", explica Li. Los resultados de este estudio han sido publicados por Nano Letters.
La autora principal de la batería, Hongli Zhu, y otros miembros del equipo de investigación constataron que, después de cargar y descargar las baterías cientos de veces, la madera empleada terminó arrugada pero intacta.
Modelos computacionales demostraron, además, que estas arrugas relajaban eficazmente la tensión de la batería durante la carga y la recarga, de modo que ésta podía sobrevivir a muchos ciclos.
"Las fibras de madera son lo suficientemente suaves como para servir de amortiguador mecánico, por lo que pueden adaptarse a los cambios en el estaño.
Esta es la clave para las baterías de iones de sodio de larga duración", explica Li. Los resultados de este estudio han sido publicados por Nano Letters.
Conjunto de electrodos entrelazados que se imprimieron capa por capa para crear el ánodo y el cátodo de una microbatería. Imagen: Ke Sun, Teng Wei-Sing, Jennifer Lewis, Shen J. Dillon. Fuente: Wyss Institute.
Baterías del tamaño de un grano de arena
Esta misma semana, hemos sabido además de otro avance sorprendente en baterías: científicos del Wyss Institute de la Universidad de Harvard (EEUU) han demostrado que se pueden fabricar baterías tan pequeñas como un grano de arena, usando una impresora 3D.
Los baterías miniaturizadas resultantes podrían suministrar electricidad a microdispositivos para campos tan diversos como la medicina o las comunicaciones: implantes médicos, robots voladores similares a insectos o cámaras y micrófonos diminutos, que hasta ahora no contaban con una fuente de alimentación lo suficientemente pequeña.
En su investigación, los científicos imprimieron de manera precisa una serie de finísimos electrodos de batería, cada uno de ellos más finos que un cabello humano. Esto lo hicieron tras darse cuenta de que podían acumular más y más energía con series de electrodos ultradelgados fuertemente entrelazados.
En general, las impresoras 3D siguen las instrucciones de diseños computacionales: van depositando capas sucesivas de material hasta generar dichos diseños en tres dimensiones.
El equipo del Wyss Institute había desarrollado previamente una amplia gama de tintas con propiedades químicas y eléctricas, que ya habían usado para crear estructuras precisas con las propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas o biológicamente relevantes que deseasen.
Para imprimir los electrodos en 3D en concreto, crearon con nanopartículas varias tintas especializadas y luego las fueron probando. Las seleccionadas funcionan como materiales electroquímicamente activos y, por tanto, son aptas para la creación de baterías, publica el Wyss Institute en un comunicado. Los resultados de esta otra investigación han aparecido detallados asimismo en la revista Advanced Materials.
Esta misma semana, hemos sabido además de otro avance sorprendente en baterías: científicos del Wyss Institute de la Universidad de Harvard (EEUU) han demostrado que se pueden fabricar baterías tan pequeñas como un grano de arena, usando una impresora 3D.
Los baterías miniaturizadas resultantes podrían suministrar electricidad a microdispositivos para campos tan diversos como la medicina o las comunicaciones: implantes médicos, robots voladores similares a insectos o cámaras y micrófonos diminutos, que hasta ahora no contaban con una fuente de alimentación lo suficientemente pequeña.
En su investigación, los científicos imprimieron de manera precisa una serie de finísimos electrodos de batería, cada uno de ellos más finos que un cabello humano. Esto lo hicieron tras darse cuenta de que podían acumular más y más energía con series de electrodos ultradelgados fuertemente entrelazados.
En general, las impresoras 3D siguen las instrucciones de diseños computacionales: van depositando capas sucesivas de material hasta generar dichos diseños en tres dimensiones.
El equipo del Wyss Institute había desarrollado previamente una amplia gama de tintas con propiedades químicas y eléctricas, que ya habían usado para crear estructuras precisas con las propiedades electrónicas, ópticas, mecánicas o biológicamente relevantes que deseasen.
Para imprimir los electrodos en 3D en concreto, crearon con nanopartículas varias tintas especializadas y luego las fueron probando. Las seleccionadas funcionan como materiales electroquímicamente activos y, por tanto, son aptas para la creación de baterías, publica el Wyss Institute en un comunicado. Los resultados de esta otra investigación han aparecido detallados asimismo en la revista Advanced Materials.
Referencias bibliográficas:
Hongli Zhu, Zheng Jia, Yuchen Chen, Nicholas Weadock, Jiayu Wan, Oeyvind Vaaland, Xiaogang Han, Teng Li, Liangbing Hu. Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir. Nano Letters (2013). DOI: 10.1021/nl400998t.
Ke Sun, Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jung Yoon Seo, Shen J. Dillon, Jennifer A. Lewis. 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures. Advanced Materials (2013). DOI: 10.1002/adma.201301036.
Hongli Zhu, Zheng Jia, Yuchen Chen, Nicholas Weadock, Jiayu Wan, Oeyvind Vaaland, Xiaogang Han, Teng Li, Liangbing Hu. Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir. Nano Letters (2013). DOI: 10.1021/nl400998t.
Ke Sun, Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jung Yoon Seo, Shen J. Dillon, Jennifer A. Lewis. 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures. Advanced Materials (2013). DOI: 10.1002/adma.201301036.