Investigadores dirigidos por Ankur Gupta, de la Universidad de Colorado en Boulder, han descubierto cómo diminutas partículas cargadas, conocidas como iones, se mueven dentro de una compleja red de poros minúsculos.
Este avance, destacado por Gupta, profesor adjunto de Ingeniería Química y Biológica, podría allanar el camino para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes, como los supercondensadores.
«Dado el papel crítico de la energía en el futuro del planeta, me sentí inspirado para aplicar mis conocimientos de ingeniería química al avance de los dispositivos de almacenamiento de energía. Me pareció un tema poco explorado y, por tanto, la oportunidad perfecta», explica Gupta.
Aunque se emplean varias técnicas de ingeniería química para analizar el flujo dentro de materiales porosos como depósitos de petróleo y sistemas de filtración de agua, su aplicación en determinados sistemas de almacenamiento de energía sigue sin explorarse.
Así, el estudio introduce un modelo para predecir el transporte de electrolitos en redes complejas de poros delgados. El marco acelera los cálculos numéricos en seis órdenes de magnitud sin comprometer la precisión.
A continuación, este modelo se utiliza para investigar la influencia de las conexiones y la distribución del tamaño de los poros en la escala temporal de carga de las capas dobles eléctricas y para predecir las relaciones estructura-propiedades.
El descubrimiento es importante no sólo para almacenar energía en vehículos y dispositivos electrónicos, sino también para las redes eléctricas.
En estas redes, donde la demanda de energía cambia, se necesita un almacenamiento eficiente para evitar el despilfarro en los momentos de baja demanda y garantizar un suministro rápido en los de alta demanda.
Los supercondensadores superan a las baterías en rapidez de carga y vida útil
Los supercondensadores, que almacenan energía mediante la acumulación de iones en sus poros, ofrecen una carga rápida y una vida útil más larga que las pilas.
Gupta hizo hincapié en la ventaja de velocidad de los supercondensadores, afirmando que la mejora de la eficiencia del movimiento iónico podría acelerar aún más la carga y la liberación de energía.
La investigación desafía la ley de Kirchhoff, un antiguo principio que rige el flujo de corriente en los circuitos eléctricos.
A diferencia de los electrones, los iones se mueven mediante una combinación de campos eléctricos y difusión.
Los investigadores descubrieron que sus movimientos en las intersecciones de los poros se desvían de la ley de Kirchhoff.
Estos hallazgos podrían mejorar el diseño de los supercondensadores y permitir la impresión en 3D de electrodos a microescala para el almacenamiento de energía portátil y supercondensadores en aplicaciones de Internet de las Cosas.
El resumen del estudio afirma que su modelo de red proporciona resultados hasta seis órdenes de magnitud más rápidos, permitiendo la simulación eficiente de una red triangular de cinco mil poros en 6 minutos.
«Empleamos el marco para estudiar el impacto de la conectividad de los poros y la polidispersidad en la dinámica de carga del electrodo para redes de poros y discutimos cómo estos factores afectan a la escala de tiempo, la densidad de energía y la densidad de potencia de la carga capacitiva».
Gupta señala que anteriormente sólo se describía el movimiento de iones en poros individuales. Pero esta investigación permite simular y predecir el movimiento de iones en miles de poros interconectados en cuestión de minutos.
«Ése es el gran avance. Hemos descubierto la pieza que faltaba», concluye Gupta.
Noticia tomada: Interesting Engineering
