Nanotecnología y Energía

Transcripción

1 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.

2 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 C 60 conocida como bucksminsterfullerene o simplemente fullereno, por la que obtuvo el premio Nobel de 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 TW de energía libre de carbono en 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.

3 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 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.

4 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, WO 3, o de Fe 2 O 3 sirve como absorbente de la luz solar en la región ultravioleta-azul del espectro solar. El segundo fotosistema consiste en una celda solar de TiO 2 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.

5 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.

6 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 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).

7 Supercondensadores Fig. f. Baterías de capa ultradelgada POWER FAB. 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

8 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 kwh 25 Características Objetivo a plazo medio Objetivo mínimo de comercialización Objetivo a largo plazo 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) 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

9 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 $ el coste de un coche ligero, de los cuales los sistemas de almacenamiento de energía contribuyen unos $. 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.

10 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