BATERIAS DEL FUTURO II
Este Post es una recopilacón de artículos sobre investigaciones que se estan haciendo actualmente en el campo de las baterias. Espero que les guste.
Baterías transparentes que almacenan energía solar
Tipos de baterías hay muchos. Quizás demasiados. Pero todas necesitan repostar su carga a través de un cargador adecuado. Sin embargo, esta “dependencia” podría llegar a su fin gracias un nuevo tipo de batería transparente capaz de recargarse directamente a partir de la luz solar. El dispositivo ha sido presentado por los investigadores de las españolas universidades de Córdoba y de Málaga, quienes aseguran que su invento podrá funcionar “adherido” a superficies translúcidas como ventanas o parabrisas, convirtiéndolas en generadores y almacenes de energía.
• ¿Alguien lleva la cuenta del número de innovaciones que se han presentado en el mundo de las baterías? En la última década, seguramente alentados por el auge de los dispositivos móviles -consumidores todos ellos de estos componentes- los fabricantes e investigadores relacionados con el mercado de las baterías han presentado trabajos que prometen cambiar el futuro: desde baterías basadas en orina hasta otras que son delgadas como un papel. La mayor parte de esos proyectos no son otra cosa que curiosidades de laboratorio, con rendimientos muy bajos o dificultades constructivas lo suficientemente importantes como para que su desembarco en el mundo real se postergue indefinidamente. Pero hay otros, como el presentado por un grupo de trabajo formado por investigadores de la Universidad de Córdoba (UCO) y la Universidad de Málaga (UMA), que tienen posibilidades de convertirse en dispositivos comerciales.
Luis Sánchez Granados, responsable del proyecto.
Lo novedoso del sistema presentado por los españoles es que utiliza una tecnología tal que permite combinar las células fotovoltaicas -encargadas de recoger la energía solar y transformarla en electricidad- con la batería, el dispositivo encargado de almacenarla. Desde el punto de vista constructivo, son celdas recargables de ión de litio, pero transparentes. Esto hace que sea posible adosarlas a un dispositivo fotovoltaico capaz de recargarlas. El profesor Luis Sánchez Granados, responsable del proyecto, explica que “lo novedoso de este sistema es que podría combinar las células fotovoltaicas con el almacenamiento de la energía en unas baterías recargables, cuya energía se podría utilizar posteriormente a través de un circuito eléctrico", a la vez que se podrían colocar en cualquier sitio donde sea posible introducir un módulo transparente como las ventanas, cristales de un automóvil o la cristalera de los invernaderos, sin obstruir la vista a través de ellos. En esa posición, las nuevas baterías podrían almacenar la energía solar disponible durante el día para -por ejemplo- iluminar un edificio durante la noche.
Podrían reemplazar a este tipo de baterías.
Pero el factor determinante que seguramente hará de estas baterías un producto comercial es que, según explica Sánchez Granados, “los materiales utilizados y su metodología permiten fabricarlas de manera industrial, lo que abarataría los costes de producción para utilizarlos en grandes superficies de construcción", algo indispensable para que su costo sea razonable. Sánchez Granados agrega que "su transparencia a la luz solar, que permite la visión a través de ellos, unido al hecho de que puede ser fabricada directamente sobre soportes transparentes (vidrios o polímeros) hace que pueda ser integrada en superficies acristaladas de edificios y combinada con células solares para ser utilizada en sistemas de ahorro y suficiencia energética en edificios, incluida la iluminación; o incluso llegar a desarrollar un sistema que oscurezca gradualmente las ventanas utilizando solamente la energía almacenada en estas baterías", convirtiendo el sueño de las casas o edificios eléctricamente autosuficientes en realidad.
El dispositivo ha sido debidamente patentando, y ha trascendido que varias empresas del sector de la construcción y la electrónica se han interesado por él y en su posible comercialización. Sin dudas, una muy buena noticia para comenzar la semana.
Fuentes:
Batería de papel que se recarga con agua
Ya hemos visto baterías muy delgadas, algunas de ellas construidas con celulosa. Pero esta, desarrollada por científicos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de Universidad de Nueva Lisboa (CENIMAT), en Portugal, se destaca de las demás por ser la primera de su tipo que puede almacenar energía a partir de la humedad ambiente. Sus creadores piensan que esta tecnología puede dar lugar a una nueva generación de dispositivos -tablets, móviles y reproductores de música, entre otros- mucho más livianos y baratos.
• En los últimos años hemos asistido al desarrollo de baterías que basan su funcionamiento en los principios y materiales más extraños. Modelos construidos con algas, basados en azúcar, que se recargan con orina, de nanotubos de carbono, otras que se recargan a partir de vibraciones, y muchos modelos más, todos igualmente sorprendentes. Sin embargo, aún es posible encontrar nuevas formas de construir baterías: Elvira Fortunato y Rodrigo Martins, dos científicos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de Universidad de Nueva Lisboa (CENIMAT), en Portugal, han puesto a punto un increíble modelo de batería de papel, que almacenan energía a partir de la humedad. Según estos dos científicos, estas delgadas baterías podrán ser empleadas para alimentar dispositivos como tablets, teléfonos móviles, reproductores de medios, GPS y otros, convirtiéndolos en modelos más ecológicos, livianos y baratos.Como suele ocurrir en estos casos, y hasta que no se haya obtenido una patente que proteja a los desarrolladores de aquellos que seguramente intentarán copiar el invento, no es mucho lo que se ha explicado sobre el principio de funcionamiento de estas baterías.
Pueden autocargarse a partir del vapor de agua (Expressso TV)
Los científicos del CENIMAT dicen que pueden autocargarse a partir del vapor de agua que normalmente existe en el aire, siempre que la “humedad relativa” del ambiente -ese valor que suele formar parte de los informes meteorológicos juntos a la temperatura e intensidad del viento- sea mayor al 40%. Este es un valor común en zonas costeras o tropicales, pero si vives en una región semidesértica cuyos valores de humedad relativa son muy bajos, puedes recargar estas baterías simplemente llevándolas al cuarto de baño cuando tomas una ducha con agua bien caliente (lo que genera mucho vapor) o acercándolas a una tetera o cualquier otra fuente de vapor. En el CENIMAT también se está trabajando duro para crear “biobaterías”, dispositivos capaces de almacenar energía eléctrica que utilizan el agua presente en los diversos fluidos que posee el cuerpo humano para recargarse. Cuando estén listas, estas baterías podrían reemplazar las que se utilizan en equipos médicos, como los marcapasos.
Fuentes:
Baterías ultra delgadas de papel de algas
s
El mundo consume millones de kilogramos de baterías cada año. Cuando se desechan, una buena cantidad de los metales y químicos utilizados en estos dispositivos terminan contaminado el planeta. La búsqueda de nuevos materiales reciclables, baratos y eficientes, con los cuales reemplazar los compuestos actuales no se detiene, y los investigadores Universidad de Uppsala parecen haberlo logrado: han conseguido crear una batería de papel, flexible, eficiente y sin partes metálicas.
• Hace décadas, “batería” era sinónimo de “plomo”. En algún momento, el costo, peso y toxicidad de este metal hizo que la industria las fuese reemplazando por baterías basadas en níquel u otros materiales. Sin embargo, y a pesar de los esfuerzos en ese sentido, ninguno de los modelos utilizados de forma masiva en la actualidad resulta completamente inocuo para el medio ambiente. Durante su fabricación se utilizan sustancias contaminantes, y el mismo cuerpo de la batería constituye una verdadera “bomba ecológica” capaz de arruinar las napas de aguas subterráneas o arroyos cercanos a los basurales. Se han hecho experimentos para lograr modelos basados en sustancias más “benignas”, pero ninguno de esos prototipos ha logrado hacerse con un porcentaje significativo del mercado. En el afán por lograr una “batería verde”, hasta se las ha construido basadas en azúcar o en orina.
Un tipo de alga llamada “cladophora” puede ser utilizada en la elaboración de baterías.
Pero parece que hay esperanzas. Los investigadores Universidad de Uppsala, en Suecia, han descubierto que un tipo de alga muy abundante, llamada “cladophora”, puede ser utilizada como materia prima para la elaboración de baterías. La profesora Maria Stromme y Gustav Nyström -candidato al doctorado- descubrieron que la indeseable, detestada y muy abundante alga cladophora que florece en todo el Báltico y en otras partes del mundo, tiene algo positivo. Parece que la estructura del alga, básicamente celulosa, puede servir para elaborar un sustrato como base para una batería ecológica. Stromme y Nyström han hecho un concienzudo análisis de sus características, y han publicado las conclusiones en un artículo de la revista Nano Letters.
Según Stromme, el equipo tiene la esperanza de que este vegetal se convierta en la base de las baterías del futuro. Nyström, entusiasmado, agrega: “esta alga tiene una estructura celulosa especial, caracterizada por su gran superficie. Con esta clase de recubrimiento, y con una capa fina de polímero conductor, tuvimos éxito en la producción de una batería que no pesa casi nada y que mejora el tiempo de carga y capacidad típica de las baterías a base de celulosa”. Stromme hace tiempo que viene trabajando en este tipo de algas. Junto a su colega Albert Mihrayan, investigaron durante años las propiedades de la celulosa de distintas variedades de algas para el uso farmacéutico. Stromme cree que “este resultado abre nuevas posibilidades para la producción a gran escala de productos para el almacenamiento de energía que respetan el medio ambiente, son rentables y ultra ligeros". En efecto, al estar basadas en celulosa, estas nuevas baterías son mucho más livianas que las tradicionales.
El tiempo dirá si el invento de Stromme y Nyström es un éxito, o cae en el olvido como tantos otros antes. Por lo pronto, su trabajo constituye una esperanza ecológica al problema del destino final de las baterías desechadas.
Fuentes:
Baterías a base de azúcar
Hemos especulado alguna vez sobre cómo debería ser el gadget definitivo, aquel que dentro de algunos años todos querremos tener. Pero nunca imaginamos que, en lugar de tomar su energía de alguna batería común y corriente o del sol, lo haría a partir de la conversión de los hidratos de carbono en electricidad.
• Sony utiliza enzimas para descomponer los azúcares.
Parece que el combustible destinado a mantener funcionando a nuestros futuros iPod, GPS, móviles o netbooks será finalmente el azúcar. Una vez que lo piensas un poco, no parece una idea tan descabellada. Al fin y al cabo, los humanos también obtenemos nuestra energía a partir de los hidratos de carbono.
En realidad, las baterías de azúcar han sido una especie de curiosidad de laboratorio que, durante los últimos años, han tenido periódicos momentos de fama, incluso en NeoTeo. Esta nueva célula de biocombustible, fabricada por científicos japoneses de la empresa Sony, utiliza enzimas para descomponer los azúcares y así producir la energía eléctrica suficiente para que pequeños dispositivos electrónicos como los mencionados antes puedan funcionar. El reporte ha sido dado a conocer por la Royal Society of Chemistry (Real Sociedad de Química) en la revista Energy & Environmental Science (Energía y Ciencias Ambientales).
Cuatro células = 100 milésimos de Watt.
Utilizando cuatro de estas células conectadas en serie se pueden obtener unos 100 milésimos de Watt, una cantidad de energía suficiente para hacer funcionar un reproductor de MP3 con altavoces o un pequeño juguete a mediante mando a distancia. Los prototipos de baterías basadas en azucares presentados con anterioridad tenían una capacidad de producir energía demasiado baja para convertirse en un dispositivo práctico, pero la nueva batería es absolutamente viable. Mediante el empleo de un "mediador químico" para acelerar la transferencia de electrones, y un cuidadoso diseño del ánodo y el cátodo, los científicos de Sony han logrado obtener la potencia suficiente para alimentar dispositivos reales.
Potencia suficiente para alimentar dispositivos reales.
Adam Heller, un experto en biolectroquimica de la Universidad de Texas en Austin, asegura que "la investigación dará el impulso necesario para que el desarrollo de células de energía basadas en biocarburantes se haga realidad." Si Heller está en lo cierto, nuestros gadget contaminarán menos el ambiente, serán más livianos, y sus baterías no correrán el riesgo de explotar en nuestro bolsillo ni tendremos olor a cebolla en nuestras manos. Solo faltaría que puedan reemplazar el coltán de sus circuitos para poder escuchar un MP3 sin sentir ninguna culpa.
Fuentes:
Baterías de lámina de papel activado por orina
El campo de MEMS y bioMEMS surge como una importante tecnología del nuevo milenio, con capacidad para crear complejos sistemas de ingeniería, autónomos y de bajo costo. Un problema crítico para estos microsistemas reside en las fuentes de energía.
• Aunque algunos dispositivos microscópicos, como las impresoras a chorro de tinta, pueden no disponer de un suministro de energía propio, los sistemas remotos y distribuídos necesitan fuentes de poder locales. Como muchos dispositivos MEMS integran circuitos electrónicos, el desarrollo de micro fuentes de energía para tales microsistemas se vuelve una exigencia y un desafío. Durante la última década, mucho del esfuerzo de los investigadores se ha enfocado en la generación de poder basado en células de combustible microscópicas que utilizaron oxígeno, hidrógeno u otros combustibles para suministro de energía continua en el rango de 10 -100 W. Otros han investigado la posibilidad de fabricar a bajo costo la alta capacidad de las células solares. Sin embargo, estas fuentes de poder normalmente requieren complicados procesos de micromaquinado que impiden la posibilidad de un proceso de integración con MEMS para el autosotenimiento de tales microsistemas. Fuentes que puedan activar dispositivos a partir de funciones de vida disponibles de manera libre y permanente son atractivas, en contraste con aquellos microscópicos artefactos de combustión interna o microbaterías recargables de película delgada de litio. La microbatería activada (sobre demanda) por el uso de la reacción química entre agua y ácidos disponibles, se ha demostrado como una alternativa viable para bioMEMS y microdispositivos.
Las primeras baterías de lámina de papel activado por orina fueron reportadas a inicios de 2005.
Actualmente la orina se analiza químicamente para protección de la salud y/o para el diagnóstico de enfermedades. Todos los días un adulto saludable produce aproximadamente 1.2 litros de orina que es principalmente una solución acuosa de pérdidas metabólicas como la urea (25-35 g) y el ácido úrico (0.4-1.0 g), sales disueltas como el cloruro de sodio (15 g), y otros materiales orgánicos. La mayoría de estos químicos presentes en la orina pueden usarse para chequeos de salud y diagnóstico de enfermedades. Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre se usa como marcador para el diagnóstico de diabetes y puede determinarse por medio de oxidasa de glucosa (GOD). Durante las últimas décadas, investigadores han desarrollado varios medios de supervisar la concentración de glucosa en la orina, sensores multianálisis para el descubrimiento de hypoxanthine, xanthine y ácido úrico, y un sensor de enzima para la determinación de urea.
Ahora se ha desarrollado un proceso de fabricación simple y barato, compatible con las tecnologías existentes para el laminado de plásticos. Aquí mostramos la viabilidad de usar una tecnología de laminación plástica simple, barata, para fabricar las baterías del papel activadas por orina, como una fuente de energía para manejar biosensores para cuidados de la salud. Se describen detalles del proceso de fabricación y la evaluación de la performance de la batería.
En esta batería, una capa de magnesio (Mg) y otra de papel del filtro embebida en cloruro de cobre (CuCl) se usan como ánodo y cátodo, respectivamente. Montadas sobre una placa de cobre (Cu) y formando un conjunto intercalado entre dos láminas plásticas que se sellan al atravesar un rodillo calentado a 120 ºC. La batería de papel activado puede entregar 1.5 mW o más. Además, podrían integrarse con dispositivos bioMEMS para ser utilizados en test de salud, generalmente para detección y/o diagnóstico considerando que resultan una fuente que mantiene poder suficiente para este tipo de circuitos microelectromecánicos.
La Figura 1 muestra el diagrama de una batería de papel activada por orina que consiste en una capa cobre (Cu), el papel de filtro embebido en cloruro de cobre (CuCl) y una capa de magnesio (Mg). El ensamble completo se intercala entre dos capas plásticas que luego se lamina (para compactar y sellar) pasándola a través de los rodillos calentados a 120º C.
La Figura 2 muestra el principio de funcionamiento de la batería. Se usan magnesio y cloruro de cobre como ánodo y cátodo, respectivamente. La capa de Cu actúa como colectora de electrones.
Cuando una gota de orina humana se agrega a la batería, como se observa en la figura 2, la orina empapa el papel montada entre las capas de Mg y Cu. Los químicos se disuelven y reaccionan para producir electricidad. Aunque la orina contiene otros electrolitos químicos menores como el ácido úrico, el cloruro de cobre (CuCl), es el químico usado mayoritariamente para la generación de electricidad en estas baterías. Las reacciones químicas del ánodo (la oxidación) y cátodo (la reducción) se representan en las ecuaciones (1) y (2), respectivamente:
Mg ======> Mg2+ + 2e--- (1)
2CuCl + 2e--- ===> 2Cu + 2Cl --- (2)
y la reacción global es:
Mg + 2CuCl ====> MgCl2 + 2Cu. (3)
El voltaje teórico de esta batería es una función directa de los materiales del ánodo y del cátodo. El potencial normal se calcula como 2.49 V del electrodo normal, los potenciales como la suma del ánodo potencial y el cátodo potencial.
Para fabricar la batería del papel, se ha desarrollado una técnica que es compatible con las conocidas tecnologías de laminado plástico. La placa de magnesio se usa como ánodo debido a su estabilidad química en el aire.
La Figura 3 muestra la preparación del papel del filtro (Whatman, Cat. Nº 1001070) con cloruro de cobre (CuCl). La solución tiene 3 g de CuCl en 100 ml de agua. Después de empapar una hoja del papel de filtro comercial en la suspensión, el papel se seca al aire y corta en pedazos pequeños para la fabricación de la batería (figura 3b). Las Figuras 4a y 4b muestran fotografías del papel antes y después de empaparlo en la suspensión de CuCl, como se indicó en la figura 3.
La fotografía de la figura 4b se tomó después que el papel con CuCl estaba seco. Se puede observar claramente entre las figuras, que las partículas secas de CuCl están distribuídas en las fibras de papel de filtro luego de ser tratado. El cátodo, el CuCl actúa como tal, acepta los electrones generados en el ánodo de Mg como se ilustra en el ejemplo (2), provocando la reacción global.
La figura 5 muestra un barato proceso desarrollado para la fabricación de baterías de papel. El proceso comienza con una película plástica inferior, transparente de 0.15 mm de espesor cubierta de un pegamento, y que sirve como substrato para la batería de papel. En el siguiente paso, una capa de cobre (Cu) de 0.2 mm de espesor es depositada (o grabada) y sirve como electrodo positivo (figura 5a). Una capa de aluminio (Al) de 0.2 mm de espesor (figura 5b) es entonces incorporada para proporcionar la unión eléctrica de los electrodos. En las figuras 5c y 5d, el papel de CuCl, de 0.2 mm de espesor, y una capa de Mg. son apilados sobre la capa de cobre y finalmente cubiertas por una película plástica transparente superior con una capa adhesivo (figura 5e). Finalmente, el bloque entero es laminado pasando por rodillos calentadores a 120 .ºC. Una hendidura para suministro de orina y otra para espiración del aire son efectuadas en la película plástica superior (figura 5f). Es obvio que los rodillos calentadores presionan y unen todas las capas de la batería de papel(figura 5e).
Otros medios de calefacción como el equipo de calentamiento ultrasónico podrían ser usados en vez de los rodillos calentadores. La figura 6 muestra una fotografía del prototipo de la batería de papel donde todas las capas de cobre, papel de filtro y magnesio son unidas juntos entre las películas plásticas transparentes, superior e inferior. Las dimensiones totales son de 6 cm x 3 cm, y para el papel tratado con CuCl son de 4 cm x 2 cm. Tres trozos de Mg. con dimensiones de 0.2 mm x 3 mm x 5 cm son usados para proporcionar la mayor área de reacción. La figura 7 muestra el corte transversal de la batería de papel laminada. En la imagen pueden verse las capas activas de Mg., papel de CuCl y Cu, entre las capas plásticas superior e inferior. El pegamento en las capas plásticas se derrite y solidifica para mantener las capas activas unidas cuando el bloque entero es laminado por el proceso de calentamiento (figura 5e).
El voltaje de salida de diez baterías ha sido medido con respecto al tiempo para resistencias de carga de 10k y 1k, usando un voltímetro para medir el voltaje a través de la resistencia de carga (ver figura 2b). La figura 8 muestra las salidas de voltaje medidas de las baterías con las resistencias de carga de 10 k y 1 k después de que una gotita de orina humana (0.2 ml), es colocada en la correspondiente hendidura de suministro (ver figura 1).
El voltaje de salida de la batería con la resistencia de carga de 10k alcanza un voltaje máximo de 1.47 V, disminuyendo con el tiempo y permaneciendo en un voltaje constante de 1.04 V durante 90 minutos. El voltaje de salida de la batería con la resistencia de 1k alcanza un voltaje máximo de 1.21 V, disminuyendo con el tiempo y cae a 0.72 V después de 90 minutos. Los poderes máximos son 1.5 mWs para la resistencia de carga de 1k y 0.22 mWs para la resistencia de carga de 10k.
Más experimentos muestran modelos de voltaje de salida similares a los descritos en la figura 8. El voltaje máximo y el voltaje en 90 minutos respecto a resistencias de 10 k y 1 k son resumidos en la Tabla 1 como interpretación representativa de la batería. Todas las baterías tienen un voltaje similar con una resistencia de carga dada.
Con la resistencia de carga de 10k, el voltaje máximo promedio, y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.46 V y 1.02 V, respectivamente. Con la resistencia de carga de 1k, el voltaje máximo promedio y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.20 V y 0.73 V, respectivamente. La figura 9 muestra voltajes cuando una gotita de 0.2 ml es añadida después que la batería es probada con la resistencia de carga de 10 k (figura 8) para 15 h.
Dos pares de voltaje de salida son mostrados en la figura 9 para la comparación. Después de añadir la segunda gotita de 0.2 ml, el voltaje se recupera a 1.2 V y disminuye después en un modelo similar. Esto muestra que más orina puede generar más energía eléctrica después que la batería es activada por la primera gotita de orina.
Esta batería puede ser fabricada e integrada en bioMEMS para suministrar energía y en dispositivos tales como chips o biosensores de ADN de tipo eléctrico.
La primera batería de papel activada por orina ha sido expuesta para bioMEMS y a disposición de usos diversos. Los conceptos básicos de operación de la batería son presentados y el prototipo de microbatería es fabricado usando un proceso de laminación plástica simple y barato. En esta demostración preliminar, el Mg. se utiliza como ánodo para generar electrones, y CuCl distribuido en un papel de filtro es seleccionado como cátodo. El estudio experimental de la microbatería mostró que se obtiene un voltaje máximo de 1.47 V y un poder máximo de 1.5 mWs para resistencia de carga de 1k. Es previsible que el voltaje, corriente y la capacidad de la microbatería pueden ser mejorados haciendo series de batería paralelas, así como empleando otros sistemas de electrodo/electrolito. Esto demuestra la viabilidad de usar la batería de papel activada por orina para bioMEMS, dispositivos para bioaplicaciones, incluso equipos de test de salud domiciliarios.
Fuentes:
Mejores baterías con nanotubos de carbono
En un futuro no muy lejano las baterías podrán aumentar su poder de capacidad energética como resultado de un nuevo hallazgo de los investigadores del MIT. Descubrieron que el uso de nanotubos de carbono en uno de los electrodos de la batería produce un aumento significativo en la cantidad de energía que puede ser almacenada (hasta diez veces). Esta mejora en el rendimiento de las baterías reduciría el tamaño y el peso final gracias a que se necesitará menos cantidad de material para su fabricación en comparación con una batería de Litio - Ion convencional. Por este nuevo trabajo de investigación, se verán beneficiados desde los dispositivos móviles pequeños hasta las aplicaciones más exigentes.
• Para producir los nuevos electrodos, los investigadores utilizaron un método de fabricación denominado “capa por capa”, en el que un material de base (sustrato) es sumergido en soluciones que contienen nanotubos de carbono tratados con compuestos orgánicos simples, otorgándoles cargas positivas o negativas. Cuando estas capas se alternan en una superficie, se enlazan de modo firme gracias a la unión de cargas que son complementarias entre sí y conforman una película estable y duradera. Además de las ventajas indicadas, como la alta potencia o la mayor capacidad de almacenamiento, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga aplicados a una batería de pruebas, no se registró ningún cambio perceptible en el rendimiento del material.
Los resultados fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology y el trabajo de investigación fue realizado por un equipo dirigido por Yang Shao-Horn, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales e Ingeniería, en colaboración con la profesora de Ingeniería Química, Paula Hammond. Los autores principales de esta investigación son las estudiantes Betar Gallant y Seung Woo Lee, junto con el investigador Naoaki Yabucchi.
El equipo de trabajo del MIT
Las baterías, como las de Litio - Ion (ampliamente utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles), están fabricadas con tres componentes básicos: dos electrodos, uno negativo y otro positivo, separados entre sí por un electrolito. Este tercer componente es un material conductor de la electricidad a través del cual las partículas cargadas, o iones, pueden moverse con facilidad. Cuando estas baterías están en uso, los iones de litio con carga positiva viajan produciendo una corriente eléctrica que recorre y alimenta el circuito conectado a la batería. Durante el proceso de recarga, una corriente externa (provista por un dispositivo dedicado a esta finalidad) provoca que estos iones se muevan a la inversa para que sean incorporados en el material poroso del ánodo.
En el electrodo de la nueva batería, los nanotubos de carbono (una forma de carbono puro en el que las hojas de los átomos de carbono están enrolladas en forma de diminutos tubos) se "auto-ensamblan" en una estructura unida de manera firme que es porosa en escala nanómetrica (la milmillonésima parte del metro). Este proceso de "auto-ensamble electrostático" es muy importante, explica Hammond, porque generalmente los nanotubos de carbono sobre una superficie tienden a agruparse en paquetes, dejando menos superficie expuesta a sufrir reacciones. Mediante la incorporación de moléculas orgánicas (en los nanotubos), se obtiene un alto grado de porosidad que se incrementa con la presencia de grandes cantidades de nanotubos de carbono.
La actual tecnología de Litio - Ion se verá beneficiada por este desarrollo
Potencia y estabilidad
“Con el nuevo material, las baterías de litio demuestran que pueden ofrecer productos de muy alta potencia en ráfagas cortas y que pueden proporcionar energía constante durante largos períodos a dispositivos de bajo consumo”, afirmó Seung Woo Lee. La producción de energía para un peso determinado de este nuevo material es cinco veces mayor que los sistemas convencionales, y la tasa de entrega de potencia total fue diez veces superior al de las baterías de Litio–Ion convencionales, aseguró el equipo. Este rendimiento se puede atribuir a una buena conducción de los iones y electrones en los electrodos y al eficiente almacenamiento del litio en la superficie de los nanotubos.
Además de ofrecer alta potencia energética, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga sobre una batería de pruebas, no hubo ningún cambio perceptible en el rendimiento del material. Los electrodos producidos por el equipo tenían espesores de hasta unos pocos micrones, y las mejoras en la prestación energética sólo se observaron a niveles de salida de alta potencia. En futuros trabajos, el equipo aspira a producir electrodos de mayor espesor y ampliar las mejoras de rendimiento de los productos de bajo consumo. “En su forma actual, el material podría tener aplicaciones dentro del área de los pequeños dispositivos electrónicos portátiles”, dice Shao-Horn. “Pero si se logran electrodos con espesores de varios cientos de micrones, este hallazgo podría ser adecuado para otras aplicaciones más exigentes como los coches híbridos”.
La industria automotriz es la gran destinataria de estas nuevas tecnologías de fabricación
Si bien el material del electrodo fue producido por la inmersión de un sustrato en dos soluciones diferentes y en forma alternada (lo que da por resultado un proceso lento), la profesora Hammond sugiere que el método podría ser modificado por técnicas más optimizadas que se están ensayando en su laboratorio. En última instancia, podría abrir la posibilidad de un proceso de fabricación continuo que puede ser ampliado a un alto volumen de producción comercial. También podría ser utilizado para producir electrodos más gruesos con mayores posibilidades de entregar altas corrientes. "No hay un límite real sobre el espesor potencial”, dice Hammond. "El único límite es el tiempo que toma para hacer las capas, y la técnica de proyección puede ser un proceso hasta 100 veces más rápido que la inmersión”.
Seung Woo Lee dice que los nanotubos de carbono han sido producidos en cantidades limitadas hasta la fecha; sin embargo, un número importante de compañías se están preparando para la producción en masa de este tipo de materiales, y este hecho podría ayudar a que sea viable la fabricación de baterías a gran escala.
Fuentes:
Baterías activadas por vibración
La empresa Brother Industries ha desarrollado unos pequeños generadores eléctricos que basan su funcionamiento en las vibraciones a la que son sometidos. Su pequeño tamaño permite utilizarlos en cualquier artefacto como reemplazo de las tradicionales pilas y baterías “AA” y “AAA”, eliminado la necesidad de reemplazar pilas o recargar baterías periódicamente. De popularizarse, no solo nos permitiría ahorrar dinero sino que también reduciría el impacto que tienen en el medio ambiente estas fuentes de energía.
Brother Industries Ltd a desarrollado un generador llamado “Vibration-powered Generating Battery” (VGB) que puede producir energía eléctrica simplemente agitando o moviendo el artefacto en el que se encuentra instalado. De pequeño tamaño -puede montarse en el interior de una pila “AA” o incluso “AAA”- produce una tensión de 1.6 a 3.2 voltios (dependiendo del modelo), con una potencia de hasta 180 mW. Si bien se trata de una potencia bastante baja, la mayoría de los artefactos móviles o portátiles actuales tienen requisitos aún menores (un mando a distancia utiliza para funcionar menos de la mitad de esa potencia), por lo que un VGB puede independizarlo definitivamente de las pilas o baterías.
Su pequeño tamaño permite utilizarlos en cualquier artefacto.
"El nuevo generador eliminará la necesidad de reemplazar las baterías, contribuyendo de esta forma a reducir la cantidad de desechos", afirman los responsables de Brother Industries. La empresa está poniendo a punto diversos modelos del dispositivo destinados al reemplazo directo de las pilas de uso común, haciendo hincapié en que podrán utilizarse sobre todo en aquellos dispositivos de bajo consumo de energía o que pasan gran parte del tiempo en “standby”.
La potencia media que entrega el generador es de 10 a 180mW.
Dentro de la carcasa con forma de pila se encuentra un generador de inducción electromagnética y un condensador eléctrico de doble capa con una capacidad de alrededor de 500mF. La potencia media que entrega el generador es de 10 a 180mW. La empresa está muy satisfecha con los resultados obtenidos con los VGB, y piensa presentarlos en sociedad en la Techno-frontier 2010, una exposición que se desarrollará de 21 a 23 de julio en Tokio. Entre los productos que se incluirán en las demostraciones figuran un control remoto de TV, un mando a distancia de aparatos de iluminación y una linterna LED. Sin dudas, se trata de un muy buen invento.
Este Post es una recopilacón de artículos sobre investigaciones que se estan haciendo actualmente en el campo de las baterias. Espero que les guste.
Baterías transparentes que almacenan energía solar
Tipos de baterías hay muchos. Quizás demasiados. Pero todas necesitan repostar su carga a través de un cargador adecuado. Sin embargo, esta “dependencia” podría llegar a su fin gracias un nuevo tipo de batería transparente capaz de recargarse directamente a partir de la luz solar. El dispositivo ha sido presentado por los investigadores de las españolas universidades de Córdoba y de Málaga, quienes aseguran que su invento podrá funcionar “adherido” a superficies translúcidas como ventanas o parabrisas, convirtiéndolas en generadores y almacenes de energía.
• ¿Alguien lleva la cuenta del número de innovaciones que se han presentado en el mundo de las baterías? En la última década, seguramente alentados por el auge de los dispositivos móviles -consumidores todos ellos de estos componentes- los fabricantes e investigadores relacionados con el mercado de las baterías han presentado trabajos que prometen cambiar el futuro: desde baterías basadas en orina hasta otras que son delgadas como un papel. La mayor parte de esos proyectos no son otra cosa que curiosidades de laboratorio, con rendimientos muy bajos o dificultades constructivas lo suficientemente importantes como para que su desembarco en el mundo real se postergue indefinidamente. Pero hay otros, como el presentado por un grupo de trabajo formado por investigadores de la Universidad de Córdoba (UCO) y la Universidad de Málaga (UMA), que tienen posibilidades de convertirse en dispositivos comerciales.
Luis Sánchez Granados, responsable del proyecto.
Lo novedoso del sistema presentado por los españoles es que utiliza una tecnología tal que permite combinar las células fotovoltaicas -encargadas de recoger la energía solar y transformarla en electricidad- con la batería, el dispositivo encargado de almacenarla. Desde el punto de vista constructivo, son celdas recargables de ión de litio, pero transparentes. Esto hace que sea posible adosarlas a un dispositivo fotovoltaico capaz de recargarlas. El profesor Luis Sánchez Granados, responsable del proyecto, explica que “lo novedoso de este sistema es que podría combinar las células fotovoltaicas con el almacenamiento de la energía en unas baterías recargables, cuya energía se podría utilizar posteriormente a través de un circuito eléctrico", a la vez que se podrían colocar en cualquier sitio donde sea posible introducir un módulo transparente como las ventanas, cristales de un automóvil o la cristalera de los invernaderos, sin obstruir la vista a través de ellos. En esa posición, las nuevas baterías podrían almacenar la energía solar disponible durante el día para -por ejemplo- iluminar un edificio durante la noche.
Podrían reemplazar a este tipo de baterías.
Pero el factor determinante que seguramente hará de estas baterías un producto comercial es que, según explica Sánchez Granados, “los materiales utilizados y su metodología permiten fabricarlas de manera industrial, lo que abarataría los costes de producción para utilizarlos en grandes superficies de construcción", algo indispensable para que su costo sea razonable. Sánchez Granados agrega que "su transparencia a la luz solar, que permite la visión a través de ellos, unido al hecho de que puede ser fabricada directamente sobre soportes transparentes (vidrios o polímeros) hace que pueda ser integrada en superficies acristaladas de edificios y combinada con células solares para ser utilizada en sistemas de ahorro y suficiencia energética en edificios, incluida la iluminación; o incluso llegar a desarrollar un sistema que oscurezca gradualmente las ventanas utilizando solamente la energía almacenada en estas baterías", convirtiendo el sueño de las casas o edificios eléctricamente autosuficientes en realidad.
El dispositivo ha sido debidamente patentando, y ha trascendido que varias empresas del sector de la construcción y la electrónica se han interesado por él y en su posible comercialización. Sin dudas, una muy buena noticia para comenzar la semana.
Fuentes:
Batería de papel que se recarga con agua
Ya hemos visto baterías muy delgadas, algunas de ellas construidas con celulosa. Pero esta, desarrollada por científicos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de Universidad de Nueva Lisboa (CENIMAT), en Portugal, se destaca de las demás por ser la primera de su tipo que puede almacenar energía a partir de la humedad ambiente. Sus creadores piensan que esta tecnología puede dar lugar a una nueva generación de dispositivos -tablets, móviles y reproductores de música, entre otros- mucho más livianos y baratos.
• En los últimos años hemos asistido al desarrollo de baterías que basan su funcionamiento en los principios y materiales más extraños. Modelos construidos con algas, basados en azúcar, que se recargan con orina, de nanotubos de carbono, otras que se recargan a partir de vibraciones, y muchos modelos más, todos igualmente sorprendentes. Sin embargo, aún es posible encontrar nuevas formas de construir baterías: Elvira Fortunato y Rodrigo Martins, dos científicos de la Facultad de Ciencia y Tecnología de Universidad de Nueva Lisboa (CENIMAT), en Portugal, han puesto a punto un increíble modelo de batería de papel, que almacenan energía a partir de la humedad. Según estos dos científicos, estas delgadas baterías podrán ser empleadas para alimentar dispositivos como tablets, teléfonos móviles, reproductores de medios, GPS y otros, convirtiéndolos en modelos más ecológicos, livianos y baratos.Como suele ocurrir en estos casos, y hasta que no se haya obtenido una patente que proteja a los desarrolladores de aquellos que seguramente intentarán copiar el invento, no es mucho lo que se ha explicado sobre el principio de funcionamiento de estas baterías.
Pueden autocargarse a partir del vapor de agua (Expressso TV)
Los científicos del CENIMAT dicen que pueden autocargarse a partir del vapor de agua que normalmente existe en el aire, siempre que la “humedad relativa” del ambiente -ese valor que suele formar parte de los informes meteorológicos juntos a la temperatura e intensidad del viento- sea mayor al 40%. Este es un valor común en zonas costeras o tropicales, pero si vives en una región semidesértica cuyos valores de humedad relativa son muy bajos, puedes recargar estas baterías simplemente llevándolas al cuarto de baño cuando tomas una ducha con agua bien caliente (lo que genera mucho vapor) o acercándolas a una tetera o cualquier otra fuente de vapor. En el CENIMAT también se está trabajando duro para crear “biobaterías”, dispositivos capaces de almacenar energía eléctrica que utilizan el agua presente en los diversos fluidos que posee el cuerpo humano para recargarse. Cuando estén listas, estas baterías podrían reemplazar las que se utilizan en equipos médicos, como los marcapasos.
Fuentes:
Baterías ultra delgadas de papel de algas
s
El mundo consume millones de kilogramos de baterías cada año. Cuando se desechan, una buena cantidad de los metales y químicos utilizados en estos dispositivos terminan contaminado el planeta. La búsqueda de nuevos materiales reciclables, baratos y eficientes, con los cuales reemplazar los compuestos actuales no se detiene, y los investigadores Universidad de Uppsala parecen haberlo logrado: han conseguido crear una batería de papel, flexible, eficiente y sin partes metálicas.
• Hace décadas, “batería” era sinónimo de “plomo”. En algún momento, el costo, peso y toxicidad de este metal hizo que la industria las fuese reemplazando por baterías basadas en níquel u otros materiales. Sin embargo, y a pesar de los esfuerzos en ese sentido, ninguno de los modelos utilizados de forma masiva en la actualidad resulta completamente inocuo para el medio ambiente. Durante su fabricación se utilizan sustancias contaminantes, y el mismo cuerpo de la batería constituye una verdadera “bomba ecológica” capaz de arruinar las napas de aguas subterráneas o arroyos cercanos a los basurales. Se han hecho experimentos para lograr modelos basados en sustancias más “benignas”, pero ninguno de esos prototipos ha logrado hacerse con un porcentaje significativo del mercado. En el afán por lograr una “batería verde”, hasta se las ha construido basadas en azúcar o en orina.
Un tipo de alga llamada “cladophora” puede ser utilizada en la elaboración de baterías.
Pero parece que hay esperanzas. Los investigadores Universidad de Uppsala, en Suecia, han descubierto que un tipo de alga muy abundante, llamada “cladophora”, puede ser utilizada como materia prima para la elaboración de baterías. La profesora Maria Stromme y Gustav Nyström -candidato al doctorado- descubrieron que la indeseable, detestada y muy abundante alga cladophora que florece en todo el Báltico y en otras partes del mundo, tiene algo positivo. Parece que la estructura del alga, básicamente celulosa, puede servir para elaborar un sustrato como base para una batería ecológica. Stromme y Nyström han hecho un concienzudo análisis de sus características, y han publicado las conclusiones en un artículo de la revista Nano Letters.
Según Stromme, el equipo tiene la esperanza de que este vegetal se convierta en la base de las baterías del futuro. Nyström, entusiasmado, agrega: “esta alga tiene una estructura celulosa especial, caracterizada por su gran superficie. Con esta clase de recubrimiento, y con una capa fina de polímero conductor, tuvimos éxito en la producción de una batería que no pesa casi nada y que mejora el tiempo de carga y capacidad típica de las baterías a base de celulosa”. Stromme hace tiempo que viene trabajando en este tipo de algas. Junto a su colega Albert Mihrayan, investigaron durante años las propiedades de la celulosa de distintas variedades de algas para el uso farmacéutico. Stromme cree que “este resultado abre nuevas posibilidades para la producción a gran escala de productos para el almacenamiento de energía que respetan el medio ambiente, son rentables y ultra ligeros". En efecto, al estar basadas en celulosa, estas nuevas baterías son mucho más livianas que las tradicionales.
El tiempo dirá si el invento de Stromme y Nyström es un éxito, o cae en el olvido como tantos otros antes. Por lo pronto, su trabajo constituye una esperanza ecológica al problema del destino final de las baterías desechadas.
Fuentes:
Baterías a base de azúcar
Hemos especulado alguna vez sobre cómo debería ser el gadget definitivo, aquel que dentro de algunos años todos querremos tener. Pero nunca imaginamos que, en lugar de tomar su energía de alguna batería común y corriente o del sol, lo haría a partir de la conversión de los hidratos de carbono en electricidad.
• Sony utiliza enzimas para descomponer los azúcares.
Parece que el combustible destinado a mantener funcionando a nuestros futuros iPod, GPS, móviles o netbooks será finalmente el azúcar. Una vez que lo piensas un poco, no parece una idea tan descabellada. Al fin y al cabo, los humanos también obtenemos nuestra energía a partir de los hidratos de carbono.
En realidad, las baterías de azúcar han sido una especie de curiosidad de laboratorio que, durante los últimos años, han tenido periódicos momentos de fama, incluso en NeoTeo. Esta nueva célula de biocombustible, fabricada por científicos japoneses de la empresa Sony, utiliza enzimas para descomponer los azúcares y así producir la energía eléctrica suficiente para que pequeños dispositivos electrónicos como los mencionados antes puedan funcionar. El reporte ha sido dado a conocer por la Royal Society of Chemistry (Real Sociedad de Química) en la revista Energy & Environmental Science (Energía y Ciencias Ambientales).
Cuatro células = 100 milésimos de Watt.
Utilizando cuatro de estas células conectadas en serie se pueden obtener unos 100 milésimos de Watt, una cantidad de energía suficiente para hacer funcionar un reproductor de MP3 con altavoces o un pequeño juguete a mediante mando a distancia. Los prototipos de baterías basadas en azucares presentados con anterioridad tenían una capacidad de producir energía demasiado baja para convertirse en un dispositivo práctico, pero la nueva batería es absolutamente viable. Mediante el empleo de un "mediador químico" para acelerar la transferencia de electrones, y un cuidadoso diseño del ánodo y el cátodo, los científicos de Sony han logrado obtener la potencia suficiente para alimentar dispositivos reales.
Potencia suficiente para alimentar dispositivos reales.
Adam Heller, un experto en biolectroquimica de la Universidad de Texas en Austin, asegura que "la investigación dará el impulso necesario para que el desarrollo de células de energía basadas en biocarburantes se haga realidad." Si Heller está en lo cierto, nuestros gadget contaminarán menos el ambiente, serán más livianos, y sus baterías no correrán el riesgo de explotar en nuestro bolsillo ni tendremos olor a cebolla en nuestras manos. Solo faltaría que puedan reemplazar el coltán de sus circuitos para poder escuchar un MP3 sin sentir ninguna culpa.
Fuentes:
Baterías de lámina de papel activado por orina
El campo de MEMS y bioMEMS surge como una importante tecnología del nuevo milenio, con capacidad para crear complejos sistemas de ingeniería, autónomos y de bajo costo. Un problema crítico para estos microsistemas reside en las fuentes de energía.
• Aunque algunos dispositivos microscópicos, como las impresoras a chorro de tinta, pueden no disponer de un suministro de energía propio, los sistemas remotos y distribuídos necesitan fuentes de poder locales. Como muchos dispositivos MEMS integran circuitos electrónicos, el desarrollo de micro fuentes de energía para tales microsistemas se vuelve una exigencia y un desafío. Durante la última década, mucho del esfuerzo de los investigadores se ha enfocado en la generación de poder basado en células de combustible microscópicas que utilizaron oxígeno, hidrógeno u otros combustibles para suministro de energía continua en el rango de 10 -100 W. Otros han investigado la posibilidad de fabricar a bajo costo la alta capacidad de las células solares. Sin embargo, estas fuentes de poder normalmente requieren complicados procesos de micromaquinado que impiden la posibilidad de un proceso de integración con MEMS para el autosotenimiento de tales microsistemas. Fuentes que puedan activar dispositivos a partir de funciones de vida disponibles de manera libre y permanente son atractivas, en contraste con aquellos microscópicos artefactos de combustión interna o microbaterías recargables de película delgada de litio. La microbatería activada (sobre demanda) por el uso de la reacción química entre agua y ácidos disponibles, se ha demostrado como una alternativa viable para bioMEMS y microdispositivos.
Las primeras baterías de lámina de papel activado por orina fueron reportadas a inicios de 2005.
Actualmente la orina se analiza químicamente para protección de la salud y/o para el diagnóstico de enfermedades. Todos los días un adulto saludable produce aproximadamente 1.2 litros de orina que es principalmente una solución acuosa de pérdidas metabólicas como la urea (25-35 g) y el ácido úrico (0.4-1.0 g), sales disueltas como el cloruro de sodio (15 g), y otros materiales orgánicos. La mayoría de estos químicos presentes en la orina pueden usarse para chequeos de salud y diagnóstico de enfermedades. Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre se usa como marcador para el diagnóstico de diabetes y puede determinarse por medio de oxidasa de glucosa (GOD). Durante las últimas décadas, investigadores han desarrollado varios medios de supervisar la concentración de glucosa en la orina, sensores multianálisis para el descubrimiento de hypoxanthine, xanthine y ácido úrico, y un sensor de enzima para la determinación de urea.
Ahora se ha desarrollado un proceso de fabricación simple y barato, compatible con las tecnologías existentes para el laminado de plásticos. Aquí mostramos la viabilidad de usar una tecnología de laminación plástica simple, barata, para fabricar las baterías del papel activadas por orina, como una fuente de energía para manejar biosensores para cuidados de la salud. Se describen detalles del proceso de fabricación y la evaluación de la performance de la batería.
En esta batería, una capa de magnesio (Mg) y otra de papel del filtro embebida en cloruro de cobre (CuCl) se usan como ánodo y cátodo, respectivamente. Montadas sobre una placa de cobre (Cu) y formando un conjunto intercalado entre dos láminas plásticas que se sellan al atravesar un rodillo calentado a 120 ºC. La batería de papel activado puede entregar 1.5 mW o más. Además, podrían integrarse con dispositivos bioMEMS para ser utilizados en test de salud, generalmente para detección y/o diagnóstico considerando que resultan una fuente que mantiene poder suficiente para este tipo de circuitos microelectromecánicos.
La Figura 1 muestra el diagrama de una batería de papel activada por orina que consiste en una capa cobre (Cu), el papel de filtro embebido en cloruro de cobre (CuCl) y una capa de magnesio (Mg). El ensamble completo se intercala entre dos capas plásticas que luego se lamina (para compactar y sellar) pasándola a través de los rodillos calentados a 120º C.
La Figura 2 muestra el principio de funcionamiento de la batería. Se usan magnesio y cloruro de cobre como ánodo y cátodo, respectivamente. La capa de Cu actúa como colectora de electrones.
Cuando una gota de orina humana se agrega a la batería, como se observa en la figura 2, la orina empapa el papel montada entre las capas de Mg y Cu. Los químicos se disuelven y reaccionan para producir electricidad. Aunque la orina contiene otros electrolitos químicos menores como el ácido úrico, el cloruro de cobre (CuCl), es el químico usado mayoritariamente para la generación de electricidad en estas baterías. Las reacciones químicas del ánodo (la oxidación) y cátodo (la reducción) se representan en las ecuaciones (1) y (2), respectivamente:
Mg ======> Mg2+ + 2e--- (1)
2CuCl + 2e--- ===> 2Cu + 2Cl --- (2)
y la reacción global es:
Mg + 2CuCl ====> MgCl2 + 2Cu. (3)
El voltaje teórico de esta batería es una función directa de los materiales del ánodo y del cátodo. El potencial normal se calcula como 2.49 V del electrodo normal, los potenciales como la suma del ánodo potencial y el cátodo potencial.
Para fabricar la batería del papel, se ha desarrollado una técnica que es compatible con las conocidas tecnologías de laminado plástico. La placa de magnesio se usa como ánodo debido a su estabilidad química en el aire.
La Figura 3 muestra la preparación del papel del filtro (Whatman, Cat. Nº 1001070) con cloruro de cobre (CuCl). La solución tiene 3 g de CuCl en 100 ml de agua. Después de empapar una hoja del papel de filtro comercial en la suspensión, el papel se seca al aire y corta en pedazos pequeños para la fabricación de la batería (figura 3b). Las Figuras 4a y 4b muestran fotografías del papel antes y después de empaparlo en la suspensión de CuCl, como se indicó en la figura 3.
La fotografía de la figura 4b se tomó después que el papel con CuCl estaba seco. Se puede observar claramente entre las figuras, que las partículas secas de CuCl están distribuídas en las fibras de papel de filtro luego de ser tratado. El cátodo, el CuCl actúa como tal, acepta los electrones generados en el ánodo de Mg como se ilustra en el ejemplo (2), provocando la reacción global.
La figura 5 muestra un barato proceso desarrollado para la fabricación de baterías de papel. El proceso comienza con una película plástica inferior, transparente de 0.15 mm de espesor cubierta de un pegamento, y que sirve como substrato para la batería de papel. En el siguiente paso, una capa de cobre (Cu) de 0.2 mm de espesor es depositada (o grabada) y sirve como electrodo positivo (figura 5a). Una capa de aluminio (Al) de 0.2 mm de espesor (figura 5b) es entonces incorporada para proporcionar la unión eléctrica de los electrodos. En las figuras 5c y 5d, el papel de CuCl, de 0.2 mm de espesor, y una capa de Mg. son apilados sobre la capa de cobre y finalmente cubiertas por una película plástica transparente superior con una capa adhesivo (figura 5e). Finalmente, el bloque entero es laminado pasando por rodillos calentadores a 120 .ºC. Una hendidura para suministro de orina y otra para espiración del aire son efectuadas en la película plástica superior (figura 5f). Es obvio que los rodillos calentadores presionan y unen todas las capas de la batería de papel(figura 5e).
Otros medios de calefacción como el equipo de calentamiento ultrasónico podrían ser usados en vez de los rodillos calentadores. La figura 6 muestra una fotografía del prototipo de la batería de papel donde todas las capas de cobre, papel de filtro y magnesio son unidas juntos entre las películas plásticas transparentes, superior e inferior. Las dimensiones totales son de 6 cm x 3 cm, y para el papel tratado con CuCl son de 4 cm x 2 cm. Tres trozos de Mg. con dimensiones de 0.2 mm x 3 mm x 5 cm son usados para proporcionar la mayor área de reacción. La figura 7 muestra el corte transversal de la batería de papel laminada. En la imagen pueden verse las capas activas de Mg., papel de CuCl y Cu, entre las capas plásticas superior e inferior. El pegamento en las capas plásticas se derrite y solidifica para mantener las capas activas unidas cuando el bloque entero es laminado por el proceso de calentamiento (figura 5e).
El voltaje de salida de diez baterías ha sido medido con respecto al tiempo para resistencias de carga de 10k y 1k, usando un voltímetro para medir el voltaje a través de la resistencia de carga (ver figura 2b). La figura 8 muestra las salidas de voltaje medidas de las baterías con las resistencias de carga de 10 k y 1 k después de que una gotita de orina humana (0.2 ml), es colocada en la correspondiente hendidura de suministro (ver figura 1).
El voltaje de salida de la batería con la resistencia de carga de 10k alcanza un voltaje máximo de 1.47 V, disminuyendo con el tiempo y permaneciendo en un voltaje constante de 1.04 V durante 90 minutos. El voltaje de salida de la batería con la resistencia de 1k alcanza un voltaje máximo de 1.21 V, disminuyendo con el tiempo y cae a 0.72 V después de 90 minutos. Los poderes máximos son 1.5 mWs para la resistencia de carga de 1k y 0.22 mWs para la resistencia de carga de 10k.
Más experimentos muestran modelos de voltaje de salida similares a los descritos en la figura 8. El voltaje máximo y el voltaje en 90 minutos respecto a resistencias de 10 k y 1 k son resumidos en la Tabla 1 como interpretación representativa de la batería. Todas las baterías tienen un voltaje similar con una resistencia de carga dada.
Con la resistencia de carga de 10k, el voltaje máximo promedio, y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.46 V y 1.02 V, respectivamente. Con la resistencia de carga de 1k, el voltaje máximo promedio y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.20 V y 0.73 V, respectivamente. La figura 9 muestra voltajes cuando una gotita de 0.2 ml es añadida después que la batería es probada con la resistencia de carga de 10 k (figura 8) para 15 h.
Dos pares de voltaje de salida son mostrados en la figura 9 para la comparación. Después de añadir la segunda gotita de 0.2 ml, el voltaje se recupera a 1.2 V y disminuye después en un modelo similar. Esto muestra que más orina puede generar más energía eléctrica después que la batería es activada por la primera gotita de orina.
Esta batería puede ser fabricada e integrada en bioMEMS para suministrar energía y en dispositivos tales como chips o biosensores de ADN de tipo eléctrico.
La primera batería de papel activada por orina ha sido expuesta para bioMEMS y a disposición de usos diversos. Los conceptos básicos de operación de la batería son presentados y el prototipo de microbatería es fabricado usando un proceso de laminación plástica simple y barato. En esta demostración preliminar, el Mg. se utiliza como ánodo para generar electrones, y CuCl distribuido en un papel de filtro es seleccionado como cátodo. El estudio experimental de la microbatería mostró que se obtiene un voltaje máximo de 1.47 V y un poder máximo de 1.5 mWs para resistencia de carga de 1k. Es previsible que el voltaje, corriente y la capacidad de la microbatería pueden ser mejorados haciendo series de batería paralelas, así como empleando otros sistemas de electrodo/electrolito. Esto demuestra la viabilidad de usar la batería de papel activada por orina para bioMEMS, dispositivos para bioaplicaciones, incluso equipos de test de salud domiciliarios.
Fuentes:
Mejores baterías con nanotubos de carbono
En un futuro no muy lejano las baterías podrán aumentar su poder de capacidad energética como resultado de un nuevo hallazgo de los investigadores del MIT. Descubrieron que el uso de nanotubos de carbono en uno de los electrodos de la batería produce un aumento significativo en la cantidad de energía que puede ser almacenada (hasta diez veces). Esta mejora en el rendimiento de las baterías reduciría el tamaño y el peso final gracias a que se necesitará menos cantidad de material para su fabricación en comparación con una batería de Litio - Ion convencional. Por este nuevo trabajo de investigación, se verán beneficiados desde los dispositivos móviles pequeños hasta las aplicaciones más exigentes.
• Para producir los nuevos electrodos, los investigadores utilizaron un método de fabricación denominado “capa por capa”, en el que un material de base (sustrato) es sumergido en soluciones que contienen nanotubos de carbono tratados con compuestos orgánicos simples, otorgándoles cargas positivas o negativas. Cuando estas capas se alternan en una superficie, se enlazan de modo firme gracias a la unión de cargas que son complementarias entre sí y conforman una película estable y duradera. Además de las ventajas indicadas, como la alta potencia o la mayor capacidad de almacenamiento, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga aplicados a una batería de pruebas, no se registró ningún cambio perceptible en el rendimiento del material.
Los resultados fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology y el trabajo de investigación fue realizado por un equipo dirigido por Yang Shao-Horn, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales e Ingeniería, en colaboración con la profesora de Ingeniería Química, Paula Hammond. Los autores principales de esta investigación son las estudiantes Betar Gallant y Seung Woo Lee, junto con el investigador Naoaki Yabucchi.
El equipo de trabajo del MIT
Las baterías, como las de Litio - Ion (ampliamente utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles), están fabricadas con tres componentes básicos: dos electrodos, uno negativo y otro positivo, separados entre sí por un electrolito. Este tercer componente es un material conductor de la electricidad a través del cual las partículas cargadas, o iones, pueden moverse con facilidad. Cuando estas baterías están en uso, los iones de litio con carga positiva viajan produciendo una corriente eléctrica que recorre y alimenta el circuito conectado a la batería. Durante el proceso de recarga, una corriente externa (provista por un dispositivo dedicado a esta finalidad) provoca que estos iones se muevan a la inversa para que sean incorporados en el material poroso del ánodo.
En el electrodo de la nueva batería, los nanotubos de carbono (una forma de carbono puro en el que las hojas de los átomos de carbono están enrolladas en forma de diminutos tubos) se "auto-ensamblan" en una estructura unida de manera firme que es porosa en escala nanómetrica (la milmillonésima parte del metro). Este proceso de "auto-ensamble electrostático" es muy importante, explica Hammond, porque generalmente los nanotubos de carbono sobre una superficie tienden a agruparse en paquetes, dejando menos superficie expuesta a sufrir reacciones. Mediante la incorporación de moléculas orgánicas (en los nanotubos), se obtiene un alto grado de porosidad que se incrementa con la presencia de grandes cantidades de nanotubos de carbono.
La actual tecnología de Litio - Ion se verá beneficiada por este desarrollo
Potencia y estabilidad
“Con el nuevo material, las baterías de litio demuestran que pueden ofrecer productos de muy alta potencia en ráfagas cortas y que pueden proporcionar energía constante durante largos períodos a dispositivos de bajo consumo”, afirmó Seung Woo Lee. La producción de energía para un peso determinado de este nuevo material es cinco veces mayor que los sistemas convencionales, y la tasa de entrega de potencia total fue diez veces superior al de las baterías de Litio–Ion convencionales, aseguró el equipo. Este rendimiento se puede atribuir a una buena conducción de los iones y electrones en los electrodos y al eficiente almacenamiento del litio en la superficie de los nanotubos.
Además de ofrecer alta potencia energética, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga sobre una batería de pruebas, no hubo ningún cambio perceptible en el rendimiento del material. Los electrodos producidos por el equipo tenían espesores de hasta unos pocos micrones, y las mejoras en la prestación energética sólo se observaron a niveles de salida de alta potencia. En futuros trabajos, el equipo aspira a producir electrodos de mayor espesor y ampliar las mejoras de rendimiento de los productos de bajo consumo. “En su forma actual, el material podría tener aplicaciones dentro del área de los pequeños dispositivos electrónicos portátiles”, dice Shao-Horn. “Pero si se logran electrodos con espesores de varios cientos de micrones, este hallazgo podría ser adecuado para otras aplicaciones más exigentes como los coches híbridos”.
La industria automotriz es la gran destinataria de estas nuevas tecnologías de fabricación
Si bien el material del electrodo fue producido por la inmersión de un sustrato en dos soluciones diferentes y en forma alternada (lo que da por resultado un proceso lento), la profesora Hammond sugiere que el método podría ser modificado por técnicas más optimizadas que se están ensayando en su laboratorio. En última instancia, podría abrir la posibilidad de un proceso de fabricación continuo que puede ser ampliado a un alto volumen de producción comercial. También podría ser utilizado para producir electrodos más gruesos con mayores posibilidades de entregar altas corrientes. "No hay un límite real sobre el espesor potencial”, dice Hammond. "El único límite es el tiempo que toma para hacer las capas, y la técnica de proyección puede ser un proceso hasta 100 veces más rápido que la inmersión”.
Seung Woo Lee dice que los nanotubos de carbono han sido producidos en cantidades limitadas hasta la fecha; sin embargo, un número importante de compañías se están preparando para la producción en masa de este tipo de materiales, y este hecho podría ayudar a que sea viable la fabricación de baterías a gran escala.
Fuentes:
Baterías activadas por vibración
La empresa Brother Industries ha desarrollado unos pequeños generadores eléctricos que basan su funcionamiento en las vibraciones a la que son sometidos. Su pequeño tamaño permite utilizarlos en cualquier artefacto como reemplazo de las tradicionales pilas y baterías “AA” y “AAA”, eliminado la necesidad de reemplazar pilas o recargar baterías periódicamente. De popularizarse, no solo nos permitiría ahorrar dinero sino que también reduciría el impacto que tienen en el medio ambiente estas fuentes de energía.
Brother Industries Ltd a desarrollado un generador llamado “Vibration-powered Generating Battery” (VGB) que puede producir energía eléctrica simplemente agitando o moviendo el artefacto en el que se encuentra instalado. De pequeño tamaño -puede montarse en el interior de una pila “AA” o incluso “AAA”- produce una tensión de 1.6 a 3.2 voltios (dependiendo del modelo), con una potencia de hasta 180 mW. Si bien se trata de una potencia bastante baja, la mayoría de los artefactos móviles o portátiles actuales tienen requisitos aún menores (un mando a distancia utiliza para funcionar menos de la mitad de esa potencia), por lo que un VGB puede independizarlo definitivamente de las pilas o baterías.
Su pequeño tamaño permite utilizarlos en cualquier artefacto.
"El nuevo generador eliminará la necesidad de reemplazar las baterías, contribuyendo de esta forma a reducir la cantidad de desechos", afirman los responsables de Brother Industries. La empresa está poniendo a punto diversos modelos del dispositivo destinados al reemplazo directo de las pilas de uso común, haciendo hincapié en que podrán utilizarse sobre todo en aquellos dispositivos de bajo consumo de energía o que pasan gran parte del tiempo en “standby”.
La potencia media que entrega el generador es de 10 a 180mW.
Dentro de la carcasa con forma de pila se encuentra un generador de inducción electromagnética y un condensador eléctrico de doble capa con una capacidad de alrededor de 500mF. La potencia media que entrega el generador es de 10 a 180mW. La empresa está muy satisfecha con los resultados obtenidos con los VGB, y piensa presentarlos en sociedad en la Techno-frontier 2010, una exposición que se desarrollará de 21 a 23 de julio en Tokio. Entre los productos que se incluirán en las demostraciones figuran un control remoto de TV, un mando a distancia de aparatos de iluminación y una linterna LED. Sin dudas, se trata de un muy buen invento.