Supercondensadores híbridos baseados en ósos de oliva reciclados

O actual modelo de enerxía global condiciona totalmente a natureza socioeconómica e as áreas ambientais dos países. É máis, o cume climático parisiense puxo de manifesto que o modelo de produción de enerxía baseado en combustibles fósiles incide directamente no cambio climático como consecuencia das emisións de gases de efecto invernadoiro, mentres que o modelo enerxético actual é insustentable paira o ambiente1. Os responsables destas emisións de gases de efecto invernadoiro son varios tipos de estimulantes que, dalgunha maneira, debemos incidir neles si queremos recuperar a saúde do noso mundo. Os investigadores que nos dedicamos ao almacenamento de enerxía temos identificados dúas deses factores e trataremos de pór o noso granito de area nesta loita. Por unha banda, o 25% das emisións de gases de efecto invernadoiro proceden do sector eléctrico e o 14% do transporte, no que a metade das emisións proveñen dos vehículos2.

Por tanto, por unha banda, é necesario desenvolver un modelo enerxético alternativo baseado nas enerxías renovables dunha vez por todas, que permita un equilibrio sustentable entre o socioeconómico e o medio ambiente. Con todo, paira o desenvolvemento dun modelo de produción baseado en enerxías renovables existen limitacións a superar tanto desde o punto de vista tecnolóxico como de accesibilidade. Sábese que as fontes de enerxía renovables non son continuas, polo que a xeración de enerxía dependerá da dispoñibilidade do sol, do vento ou da auga en cada momento. Paira superar este límite é necesario dispor de sistemas de almacenamento de enerxía eficientes que permitan almacenar a enerxía sobrante e garantir a subministración de enerxía cando non sexa posible a súa xeración. Doutra banda, é moi importante dar ao vehículo eléctrico o último impulso que lle falta paira a súa comercialización, co fin de mitigar as emisións de gases de efecto invernadoiro e recuperar a saúde e a calidade de vida do aire dos pobos e cidades nos que vivimos. Por iso, nos últimos anos xerouse un gran interese no desenvolvemento de sistemas de almacenamento de enerxía.

Sistemas de almacenamento de enerxía: baterías e condensadores

Figura . Ragone Plot, é dicir, comparación dos sistemas de almacenamento de enerxía utilizados en función da densidade de enerxía e potencia.

Durante as dúas últimas décadas, o interese da comunidade científica centrouse no desenvolvemento de diferentes tipos de baterías ou condensadores electroquímicos, en función das características dalgunhas aplicacións. As baterías son capaces de almacenar densidades de enerxía superiores aos condensadores, desgraciadamente a potencia que poden ofrecer é moi pequena e o proceso de almacenamento realízase mediante reaccións químicas non totalmente reversibles, polo que a duración destes dispositivos tampouco é sustentable.

Doutra banda, nos últimos anos os supercondensadores están a cobrar forza, converténdose nunha alternativa ou complemento das baterías. Os supercondensadores almacenan a enerxía a través de procesos físicos, mediante a electrorción dos iones que ten lugar na superficie dos materiais, permitindo potencias elevadas e longas duracións, así como o desenvolvemento de tecnoloxías híbridas máis eficientes paira o almacenamento de enerxía.

As características de almacenamento de enerxía e potencia de baterías e condensadores resúmense no gráfico denominado Ragone Plot, no que a densidade enerxética represéntase respecto da densidade de potencia, mostrando o tempo de descarga dos dispositivos en liñas diagonais.

Con todo, os dispositivos de almacenamento de enerxía non se avalían unicamente en función da súa capacidade de almacenamento de enerxía e potencia. Outros factores, como os tempos de carga e descarga, a temperatura de uso, a seguridade ou o ciclo de vida e o custo, son determinantes á hora de seleccionar e comercializar o uso destes dispositivos.

Táboa . Comparación entre tecnoloxías de almacenamento de enerxía.

Cabe destacar que os supercondensadores, a diferenza das baterías, poden descargarse en segundos e cargarse en segundos. Esta característica é moi importante nos sistemas de recuperación enerxética, por exemplo en vehículos ou ascensores eléctricos que recuperan a enerxía de freado. Así mesmo, os supercondensadores son capaces de fornecer grandes potencias a temperaturas extremas baixas e altas. Este factor faios moi atractivos paira aplicacións con condicións extremas como a industria aeroespacial.

Con todo, os supercondensadores tamén presentan debilidades operativas, sendo a tensión de traballo a máis significativa. Nas baterías, a tensión de traballo está próxima a 4 V, mentres que nos supercondensadores está limitada a un máximo de 3 V, o que limita a densidade enerxética.

A característica máis atractiva á hora de comercializar é a súa longa duración. Aínda que en principio as baterías acumulan enerxía mediante reaccións químicas reversibles, os materiais dos electrodos sofren cambios estruturais. Estes cambios xeran erros que obrigan a deteriorar o sistema a medida que avanza a carga/descarga. Os supercondensadores, pola contra, utilizan procesos físicos totalmente reversibles, evitando así dita inflamación, garantindo a estabilidade mecánica e alargando a duración do dispositivo até millóns de ciclos.

Futuro: supercondensadores híbridos

Figura . Idea de almacenar enerxía en aparellos a partir do óso de oliva.

A medida que a tecnoloxía evoluciona, cada vez son máis os dispositivos que necesitan enerxía e grandes potencias. Na actualidade, a estratexia paira dar resposta a estas necesidades consiste en conectar en serie baterías e supercondensadores a través dun circuíto externo. Nos últimos tempos, con todo, existe una idea innovadora que se presentou como alternativa a esta estratexia: os supercondensadores híbridos. O seu fundamento é combinar un electrodo de tipo supercondensador cun electrodo de tipo batería paira unir as mellores características de ambas as tecnoloxías nun só dispositivo. Esta idea combinatoria foi publicada por primeira vez no ano 2001 como concepto, combinando un electrodo tipo batería de alta densidade enerxética (lto-lithium titanate) cun electrodo tipo supercondensador de alta potencia (ac-activated carbon) 4.

Estes sistemas caracterízanse por estar compostos por supercondensadores e baterías, que poden almacenar entre 5 e 10 veces máis enerxía que os primeiros mantendo valores elevados de potencia 5. Normalmente este LIC (en inglés lithium ion capacitor, LIC) utilizan carbón activo de alta superficie como electrodo positivo e una intercalación composta, tipicamente grafito, en electrodo negativo. Durante a carga do LIC prodúcese a intercalación dos iones de litio no electrodo negativo e a absorción dos aniones presentes no electrolito no electrodo positivo. No proceso de descarga os iones de litio extráense do electrodo negativo e os aniones se desorizan do electrodo positivo. Desgraciadamente, o grafito non ten litio no seu interior, e a introdución de litio no grafito debe realizarse mediante un proceso externo denominado prelitiación. A prelitiación é necesaria: a) paira dispor dun sistema de alta tensión (4 V), b) paira eliminar a capacidade irreversible do electrodo negativo, c) paira reducir a resistencia dos electrodos e d) para que o sistema poida soportar máis ciclos de carga/descarga. A pesar do gran impedimento tecnolóxico que supón a prelitiación, xa se superou e os primeiros supercondensadores híbridos atópanse no mercado, combinando os beneficios das baterías e os supercondensadores 6.

Ósos de oliva

O óso de oliva é un material lignocelulósico formado por lignina, celulosa e hemicielulosa. Este tres compoñentes aparecen na proporción adecuada paira obter carbóns de alta densidade no óso da oliva. O castañado dos ósos de oliva permite obter carbón duro (hard carbon, HC). Activando químicamente leste HC mediante KOH conseguiremos a AC. O HC presenta características similares ás do grafito, pero as capas de grafeno están desordenadas abrindo o camiño cara a maiores capacidades no material (ademais de intercalar o litio entre as capas, pódese adsorber nos poros). É máis, ademais do litio, permite o uso do sodio (non se pode utilizar sodio co grafito). A discusión sobre o esgotamento do litio está sobre a mesa. Hai grandes intereses económicos, e segundo o observador (é dicir, o interesado) a resposta será afirmativa ou non. Con todo, o factor que non admite interpretación é a localización xeográfica das fontes de litio no mundo. Cerca do 85% das reservas mundiais de litio atópanse na rexión xeográfica suramericana coñecida como Triángulo da Litio, concretamente nos arredores de Puna de Atakama, onde se atopan a salina de Uyuni (Bolivia), a salina de Home Morto (Arxentina) e a salina de Atapuma (Chile). En comparación co litio, podemos atopar sodio por todas as partes e o seu custo de extracción é moi inferior ao do litio, polo que a substitución do grafito por HC é un valor engadido interesante.

Figura . Comparación de sistemas de almacenamento desenvolvidos a partir de óso de oliva.

Neste traballo sintetizamos o electrodo tipo batería de HC mediante a reciclaxe do óso de oliva bio-residuo e o electrodo tipo ac-supercondensador. Combinando estes electrodos nun único dispositivo fomos capaces de fabricar dispositivos híbridos de longa duración baseados en tecnoloxía Li-ion ou Na-ion a nivel de laboratorio con alta enerxía e potencia. Estes dispositivos poden condicionar a evolución das dúas tecnoloxías máis importantes que van configurar a nosa sociedade no futuro: por unha banda, os dispositivos baseados no ion litio, con altas densidades de enerxía e potencia e longa duración, son moi apropiados paira a súa implementación en vehículos eléctricos. Por outra banda, os dispositivos baseados no ion sodio non poden competir co litio en parámetros de potencia e durabilidad, pero poderían ser máis baratos (a tecnoloxía Na-ion está aínda por comercializar) e, por exemplo, poden utilizarse como sistemas de almacenamento no campo das enerxías renovables, onde un ciclo de carga ou dous ciclos diarios poden ser suficientes e non tan importante como a potencia, pero un menor custo permitiría manter o prezo competitivo das enerxías renovables.

As características dos dispositivos LIC e NIC (en inglés sodium-ion capacitor, NIC), obtidos mediante a combinación de HC e AC obtidos do óso da oliva, son moito mellores que as dun supercondensador fabricado a partir do óso da oliva. As medidas realizáronse en xanela de tensión reducida (2,2-3,8 V) paira obter duracións longas comparables aos supercondensadores. Como se pode observar, as dúas novas tecnoloxías melloran sobradamente a densidade enerxética do supercondensador en baixas densidades de potencia, case triplicando o valor da densidade enerxética. En grandes potencias, o LIC segue mellorando as características do supercondensador, non así o NIC. Debido ao maior tamaño do ion sodio, a resistencia de difusión é maior dentro do material, polo que as cargas e descargas son menos rápidas e os valores de potencia limítanse. Por outra banda, ambos os dispositivos teñen una longa duración (LICs > 50.000 e NICs > 5.000 ciclos de carga/descarga). No entanto, o sodio provoca una degradación mecánica moito maior que o litio debido ao seu maior tamaño no HC, polo que aumenta a inflamación do material e por tanto reduce a duración do dispositivo.

Bibliografía

III Ciencia e Tecnoloxía de Materiais. congreso

O pasado mes de xullo celebrouse en Markina-Xemein a terceira edición do Congreso de Ciencia e Tecnoloxía de Materiais, organizado polo centro tecnolóxico Leartiker. Case 100 profesionais do mundo dos materiais participaron neste congreso que se celebra integramente en eúscaro, e o comité científico do congreso sinalou que os traballos presentados tiveron un nivel máis alto que nunca.

 

Durante dous días falouse en Markina-Xemein dunha chea de temas relacionados cos materiais: materiais de almacenamento de enerxía, tecnoloxías paira o desenvolvemento de futuros nanochips, nanopartículas paira o tratamento do cancro, terapias génicas, materiais poliméricos, metálicos, cerámicos, os seus procesados avanzados, etc.

Cunha trintena de presentacións orais e corenta posters, Jon Ajuria, membro do CIC Energigune, galardoado co premio á mellor presentación oral, escribiu este artigo paira a revista Elhuyar, xunto cos seus compañeiros, sobre o traballo presentado no congreso.