Supercondensadores híbrids basats en ossos d'oliva reciclats

2016/09/01 Goikolea Nuñez, Eider - CIC Energiguneko ikertzailea | Mysyk, Roman - CIC Energiguneko ikertzailea | Redondo Negrete, Edurne - CIC Energiguneko ikertzailea | Ajuria Arregi, Jon - CIC Energiguneko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia
• Materialak

L'actual model d'energia global condiciona totalment la naturalesa socioeconòmica i les àrees ambientals dels països. És més, el cim climàtic parisenc va posar de manifest que el model de producció d'energia basat en combustibles fòssils incideix directament en el canvi climàtic com a conseqüència de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle, mentre que el model energètic actual és insostenible per a l'ambiente1. Els responsables d'aquestes emissions de gasos d'efecte d'hivernacle són diversos tipus d'estimulants que, d'alguna manera, hem d'incidir en ells si volem recuperar la salut del nostre món. Els investigadors que ens dediquem a l'emmagatzematge d'energia tenim identificats dues d'aquests factors i tractarem de posar el nostre granet de sorra en aquesta lluita. D'una banda, el 25% de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle procedeixen del sector elèctric i el 14% del transport, en el qual la meitat de les emissions provenen dels vehículos2.

Per tant, d'una banda, és necessari desenvolupar un model energètic alternatiu basat en les energies renovables d'una vegada per sempre, que permeti un equilibri sostenible entre el socioeconòmic i el medi ambient. No obstant això, per al desenvolupament d'un model de producció basat en energies renovables existeixen limitacions a superar tant des del punt de vista tecnològic com d'accessibilitat. Se sap que les fonts d'energia renovables no són contínues, per la qual cosa la generació d'energia dependrà de la disponibilitat del sol, del vent o de l'aigua a cada moment. Per a superar aquest límit és necessari disposar de sistemes d'emmagatzematge d'energia eficients que permetin emmagatzemar l'energia sobrant i garantir el subministrament d'energia quan no sigui possible la seva generació. D'altra banda, és molt important donar al vehicle elèctric l'últim impuls que li falta per a la seva comercialització, amb la finalitat de mitigar les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle i recuperar la salut i la qualitat de vida de l'aire dels pobles i ciutats en els quals vivim. Per això, en els últims anys s'ha generat un gran interès en el desenvolupament de sistemes d'emmagatzematge d'energia.

Sistemes d'emmagatzematge d'energia: bateries i condensadors

Figura . Ragone Plot, és a dir, comparació dels sistemes d'emmagatzematge d'energia utilitzats en funció de la densitat d'energia i potència.

Durant les dues últimes dècades, l'interès de la comunitat científica s'ha centrat en el desenvolupament de diferents tipus de bateries o condensadors electroquímics, en funció de les característiques d'algunes aplicacions. Les bateries són capaces d'emmagatzemar densitats d'energia superiors als condensadors, desgraciadament la potència que poden oferir és molt petita i el procés d'emmagatzematge es realitza mitjançant reaccions químiques no totalment reversibles, per la qual cosa la durada d'aquests dispositius tampoc és sostenible.

D'altra banda, en els últims anys els supercondensadores estan cobrant força, convertint-se en una alternativa o complement de les bateries. Els supercondensadores emmagatzemen l'energia a través de processos físics, mitjançant l'electrorción dels ions que té lloc en la superfície dels materials, permetent potències elevades i llargues durades, així com el desenvolupament de tecnologies híbrides més eficients per a l'emmagatzematge d'energia.

Les característiques d'emmagatzematge d'energia i potència de bateries i condensadors es resumeixen en el gràfic denominat Ragone Plot, en el qual la densitat energètica es representa respecte a la densitat de potència, mostrant el temps de descàrrega dels dispositius en línies diagonals.

No obstant això, els dispositius d'emmagatzematge d'energia no s'avaluen únicament en funció de la seva capacitat d'emmagatzematge d'energia i potència. Altres factors, com els temps de càrrega i descàrrega, la temperatura d'ús, la seguretat o el cicle de vida i el cost, són determinants a l'hora de seleccionar i comercialitzar l'ús d'aquests dispositius.

Taula . Comparació entre tecnologies d'emmagatzematge d'energia.

Cal destacar que els supercondensadores, a diferència de les bateries, poden descarregar-se en segons i carregar-se en segons. Aquesta característica és molt important en els sistemes de recuperació energètica, com per exemple en vehicles o ascensors elèctrics que recuperen l'energia de frenat. Així mateix, els supercondensadores són capaços de subministrar grans potències a temperatures extremes baixes i altes. Aquest factor els fa molt atractius per a aplicacions amb condicions extremes com la indústria aeroespacial.

No obstant això, els supercondensadores també presenten febleses operatives, sent la tensió de treball la més significativa. En les bateries, la tensió de treball està pròxima a 4 V, mentre que en els supercondensadores està limitada a un màxim de 3 V, la qual cosa limita la densitat energètica.

La característica més atractiva a l'hora de comercialitzar és la seva llarga durada. Encara que en principi les bateries acumulen energia mitjançant reaccions químiques reversibles, els materials dels elèctrodes sofreixen canvis estructurals. Aquests canvis generen errors que obliguen a deteriorar el sistema a mesura que avança la càrrega/descarrega. Els supercondensadores, per contra, utilitzen processos físics totalment reversibles, evitant així aquesta inflamació, garantint l'estabilitat mecànica i allargant la durada del dispositiu fins a milions de cicles.

Futur: supercondensadores híbrids

Figura . Idea d'emmagatzemar energia en aparells a partir de l'os d'oliva.

A mesura que la tecnologia evoluciona, cada vegada són més els dispositius que necessiten energia i grans potències. En l'actualitat, l'estratègia per a donar resposta a aquestes necessitats consisteix a connectar en sèrie bateries i supercondensadores a través d'un circuit extern. En els últims temps, no obstant això, existeix una idea innovadora que s'ha presentat com a alternativa a aquesta estratègia: els supercondensadores híbrids. El seu fonament és combinar un elèctrode de tipus supercondensador amb un elèctrode de tipus bateria per a unir les millors característiques de totes dues tecnologies en un solo dispositiu. Aquesta idea combinatòria va ser publicada per primera vegada l'any 2001 com a concepte, combinant un elèctrode tipus bateria d'alta densitat energètica (lto-lithium titanate) amb un elèctrode tipus supercondensador d'alta potència (ac-activated carbon) 4.

Aquests sistemes es caracteritzen per estar composts per supercondensadores i bateries, que poden emmagatzemar entre 5 i 10 vegades més energia que els primers mantenint valors elevats de potència 5. Normalment aquests LIC (en anglès lithium ió capacitor, LIC) utilitzen carbó actiu d'alta superfície com a elèctrode positiu i una intercalació composta, típicament grafit, en elèctrode negatiu. Durant la càrrega del LIC es produeix la intercalació dels ions de liti en l'elèctrode negatiu i l'adsorció dels anions presents en l'electròlit en l'elèctrode positiu. En el procés de descàrrega els ions de liti s'extreuen de l'elèctrode negatiu i els anions es desorizan de l'elèctrode positiu. Desgraciadament, el grafit no té liti en el seu interior, i la introducció de liti en el grafit ha de realitzar-se mitjançant un procés extern denominat prelitiación. La prelitiación és necessària: a) per a disposar d'un sistema d'alta tensió (4 V), b) per a eliminar la capacitat irreversible de l'elèctrode negatiu, c) per a reduir la resistència dels elèctrodes i d) perquè el sistema pugui suportar més cicles de càrrega/descarrega. Malgrat el gran impediment tecnològic que suposa la prelitiación, ja s'ha superat i els primers supercondensadores híbrids es troben en el mercat, combinant els beneficis de les bateries i els supercondensadores 6.

Ossos d'oliva

L'os d'oliva és un material lignocelulósico format per lignina, cel·lulosa i hemicielulosa. Aquests tres components apareixen en la proporció adequada per a obtenir carbons d'alta densitat en l'os de l'oliva. El castañado dels ossos d'oliva permet obtenir carbó dur (hard carbon, HC). Activant químicament aquest HC mitjançant KOH aconseguirem l'AC. L'HC presenta característiques similars a les del grafit, però les capes de grafè estan desordenades obrint el camí cap a majors capacitats en el material (a més d'intercalar el liti entre les capes, es pot adsorber en els porus). És més, a més del liti, permet l'ús del sodi (no es pot utilitzar sodi amb el grafit). La discussió sobre l'esgotament del liti està sobre la taula. Hi ha grans interessos econòmics, i segons l'observador (és a dir, l'interessat) la resposta serà afirmativa o no. No obstant això, el factor que no admet interpretació és la localització geogràfica de les fonts de liti en el món. Prop del 85% de les reserves mundials de liti es troben a la regió geogràfica sud-americana coneguda com a Triangle de la Liti, concretament als voltants de Puna d'Atakama, on es troben la salina d'Uyuni (Bolívia), la salina d'Home Mort (l'Argentina) i la salina d'Atapuma (Xile). En comparació amb el liti, podem trobar sodi per onsevulla i el seu cost d'extracció és molt inferior al del liti, per la qual cosa la substitució del grafit per HC és un valor afegit interessant.

Figura . Comparació de sistemes d'emmagatzematge desenvolupats a partir d'os d'oliva.

En aquest treball hem sintetitzat l'elèctrode tipus bateria d'HC mitjançant el reciclatge de l'os d'oliva bio-residu i l'elèctrode tipus ac-supercondensador. Combinant aquests elèctrodes en un únic dispositiu hem estat capaços de fabricar dispositius híbrids de llarga durada basats en tecnologia Li-ió o Na-ió a nivell de laboratori amb alta energia i potència. Aquests dispositius poden condicionar l'evolució de les dues tecnologies més importants que configuraran la nostra societat en el futur: d'una banda, els dispositius basats en l'ió liti, amb altes densitats d'energia i potència i llarga durada, són molt apropiats per a la seva implementació en vehicles elèctrics. D'altra banda, els dispositius basats en l'ió sodi no poden competir amb el liti en paràmetres de potència i durabilitat, però podrien ser més barats (la tecnologia Na-ió està encara per comercialitzar) i, per exemple, poden utilitzar-se com a sistemes d'emmagatzematge en el camp de les energies renovables, on un cicle de càrrega o dos cicles diaris poden ser suficients i no tan important com la potència, però un menor cost permetria mantenir el preu competitiu de les energies renovables.

Les característiques dels dispositius LIC i NIC (en anglès sodium-ió capacitor, NIC), obtinguts mitjançant la combinació d'HC i AC obtinguts de l'os de l'oliva, són molt millors que les d'un supercondensador fabricat a partir de l'os de l'oliva. Les mesures s'han realitzat en finestra de tensió reduïda (2,2-3,8 V) per a obtenir durades llargues comparables als supercondensadores. Com es pot observar, les dues noves tecnologies milloren àmpliament la densitat energètica del supercondensador en baixes densitats de potència, gairebé triplicant el valor de la densitat energètica. En grans potències, el LIC continua millorant les característiques del supercondensador, no així el NIC. A causa de la major grandària de l'ió sodi, la resistència de difusió és major dins del material, per la qual cosa les càrregues i descàrregues són menys ràpides i els valors de potència es limiten. D'altra banda, tots dos dispositius tenen una llarga durada (LICs > 50.000 i NICs > 5.000 cicles de càrrega/descarrega). No obstant això, el sodi provoca una degradació mecànica molt major que el liti degut a la seva major grandària en l'HC, per la qual cosa augmenta la inflamació del material i per tant redueix la durada del dispositiu.

Bibliografia

III Ciència i Tecnologia de Materials. congrés

El mes de juliol passat es va celebrar en Markina-Xemein la tercera edició del Congrés de Ciència i Tecnologia de Materials, organitzat pel centre tecnològic Leartiker. Gairebé 100 professionals del món dels materials van participar en aquest congrés que se celebra íntegrament en basc, i el comitè científic del congrés va assenyalar que els treballs presentats van tenir un nivell més alt que mai.

 

Durant dos dies es va parlar en Markina-Xemein d'un munt de temes relacionats amb els materials: materials d'emmagatzematge d'energia, tecnologies per al desenvolupament de futurs nanochips, nanopartícules per al tractament del càncer, teràpies gèniques, materials polimèrics, metàl·lics, ceràmics, els seus processaments avançats, etc.

Amb una trentena de presentacions orals i quaranta posters, Jon Ajuria, membre del CIC Energigune, guardonat amb el premi a la millor presentació oral, ha escrit aquest article per a la revista Elhuyar, juntament amb els seus companys, sobre el treball presentat en el congrés.