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Referencia: Phys.org , 23 octubre 2013

Células solares que producen electricidad todos los días, no sólo cuando el sol está brillando. Teléfonos móviles con células de energía integradas que se recargan en segundos y funcionan durante semanas entre cargas.

El chip de silicio con superficie porosa, después del horno especial donde se recubrió con grafeno, para crear un electrodo supercondensador. Crédito: Joe Howell / Vanderbilt.
Éstas son sólo dos de las posibilidades planteadas por un novedoso diseño de supercondensador inventado por los científicos de materiales de la Universidad de Vanderbilt, según describen en un artículo en la revista Scientific Reports, publicado el 22 de octubre.

Es el primer supercondensador hecho de silicio, que puede ser construido en un chip de silicio, junto con el sistema de circuitos microelectrónicos que lo alimenta. De hecho, debería ser posible construir estas células de energía al margen del exceso de silicio que existe en la actual generación de células solares, sensores, teléfonos móviles y una variedad de otros dispositivos electromecánicos, proporcionando un ahorro de costes considerable.

"Si le preguntas a los expertos sobre cómo hacer un supercondensador de silicio, ellos te dirán que es una locura", señala Cary Pint, profesor asistente de ingeniería mecánica que dirigió el desarrollo. "Pero hemos encontrado una manera fácil de hacerlo."

En lugar de almacenar la energía en las reacciones químicas como hacen las baterías, los "supercondensadores" almacenan electricidad mediante la unión de iones en la superficie de un material poroso. Como resultado de ello, tienden a cargar y descargar en cuestión de minutos, en lugar de horas, y operan con pocos millones de ciclos, en vez de unos pocos miles de ciclos como las baterías.

Estas propiedades han permitido a los supercondensadores comerciales, que están hechos de carbón activado, poder hacerse de algunos nichos de mercado, como el almacenamiento de energía captada por los sistemas de frenado regenerativo de los autobuses y los vehículos eléctricos, además de proporcionar las ráfagas de energía necesarias, para la adaptación de las hojas de turbinas de viento gigantes a las cambiantes condiciones del viento. Los supercondensadores continúan a la zaga en cuanto a la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica de las baterías de iones de litio, ya que son demasiado voluminosos para alimentar la mayoría de los dispositivos de consumo. Sin embargo, se han puesto al día rápidamente.

La investigación para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores se ha centrado en los nanomateriales a base de carbono, como el grafeno y nanotubos. Dado que estos dispositivos almacenan carga eléctrica en la superficie de sus electrodos, la forma de aumentar su densidad de energía es aumentar la superficie de los electrodos, lo cual significa llenar las superficies a nanoescala de crestas y poros.

"El gran desafío de este enfoque es el montaje de los materiales", dijo Pint. "Construir, dispositivos funcionales de alto rendimiento en bloques a nanoescala, junto con cualquier nivel de control, ha demostrado ser bastante difícil, y cuando se logra es difícil de repetir."

Así pues, Pint y su equipo de investigación, los estudiantes de postgrado Landon Oakes, Andrew Westover y el post-doctorado Shahana Chatterjee, decidieron tomar un enfoque radicalmente diferente: usar el silicio poroso, un material con una nanoestructura controlable bien definida, y hecha por grabación electroquímica de la superficie de una oblea de silicio.

Esto les permitió crear superficies con nanoestructuras optimizadas de electrodos de supercondensadores, pero les dejaba con un gran problema. El hecho por el cual el silicio se considera generalmente inadecuado para su uso en supercondensadores, este material reacciona fácilmente con algunos de los químicos de los electrolitos que proporcionan los iones que almacenan la carga eléctrica.

Con la experiencia en el cultivo de nanoestructuras de carbono, decidieron probar a recubrir la superficie de silicio poroso con carbono. "No teníamos ni idea de lo que iba a pasar", comentó Pint. "En general, los investigadores cultivan el grafeno a partir de materiales de carburo de silicio a temperaturas superiores a 1.400 ºC; pero a temperaturas más bajas, de 600 a 700 ºC, realmente no lo esperábamos."

Cuando los investigadores retiraron el silicio poroso del horno, se encontraron con que había pasado de color naranja a morado o negro. Después lo inspeccionaron bajo un potente microscopio electrónico y vieron que parecía casi idéntico al material original, pero cubierto por una capa de grafeno de unos pocos nanómetros de espesor.

Probaron el material recubierto observando que se había estabilizado químicamente la superficie de silicio. Entonces lo utilizaron para hacer supercondensadores y hallaron que el recubrimiento de grafeno mejoraba las densidades de energía en más de dos órdenes de magnitud, comparado con los fabricados a partir de silicio poroso no recubierto, y significativamente mejor que los supercondensadores comerciales.

La capa de grafeno actúa como una delgada capa atómica protectora. Pint y su grupo, arguyen que este enfoque no se limita al grafeno. "La capacidad para diseñar superficies con capas atómicamente delgadas de materiales combinados, junto con el control logrado en el diseño de materiales porosos, abre oportunidades para un número de diferentes aplicaciones de mayor alcance que el simple almacenamiento de energía."

"A pesar del excelente rendimiento logrado con el dispositivo, nuestro objetivo no era crear dispositivos con un rendimiento récord", dijo Pint; "sino el de desarrollar un mapa de ruta para el almacenamiento de energía integrado. El silicio es un material ideal, porque es la base de gran parte de nuestra moderna tecnología y aplicaciones. Además, la mayor parte del silicio en los dispositivos existentes ya no se utiliza porque sale muy caro y resulta un desperdicio producir obleas delgadas de silicio."

El grupo de Pint está utilizando actualmente este enfoque para desarrollar el almacenamiento de energía que se puede formar con el exceso de materiales o en los lados posteriores de las células solares no utilizados y los sensores. Los supercondensadores sería almacenar el exceso de electricidad que las células generan al medio día y lo liberan cuando los picos de demanda por la tarde.

"Todas las cosas que nos definen en un ambiente moderno requieren de electricidad", dijo Pint. "Cuanto más podamos integrar el almacenamiento de energía en materiales y dispositivos existentes, más compactos y eficientes serán."


- Más información en Nature.com .
- Imagen: El chip de silicio con superficie porosa, después del horno especial donde se recubrió con grafeno, para crear un electrodo supercondensador. Crédito: Joe Howell / Vanderbilt.
- Gráfico: Muestra la densidad de potencia (vatios por kilogramo) y la densidad de energía (vatios-hora por kilogramo) de condensadores hechos con silicio poroso (P-Si), silicio poroso recubierto de grafeno y condensadores comerciales basados en carbono. Crédito: Cary Pint / Vanderbilt .

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