El desarrollo del automóvil eléctrico requiere un sistema de almacenamiento de la energía eléctrica. La capacidad de almacenar carga al menor coste y volumen es importante. En las baterías se almacena la carga eléctrica usando un sistema químico. Como inconvenientes se puede decir que son lentas de cargar y que sólo se pueden recargar un número limitado de veces.
Un condensador almacena la carga de manera “viva”, sin mediación de sistema químico alguno, haciendo emigrar los electrones de un conductor a otro que están separados por un aislante. Esto es, la energía se almacena en forma de electricidad estática. Un condensador puede suministrar una potencia alta, al ser capaz de proporcionar energía de manera instantánea, por eso se usan en los flashes fotográficos. Además, un condensador se puede cargar y descargar un número ilimitado de veces. Pero al tener una capacidad limitada no puede almacenar mucha carga en él, y ésta se pierde con el tiempo.
Podemos diseñar un auto eléctrico a baterías que tarde en cargarse horas y cuyas carísimas baterías tengamos de reemplazar al cabo de un tiempo o uno potente de carga rápida sin mantenimiento que haya que cargar cada pocos kilómetros. En ayuda de la segunda opción acaba de publicarse un artículo con un resultado prometedor en supercondensadores escrito por un grupo de investigadores de la Universidad de Maryland. Según aseguran su nuevo sistema de supercondensador es 10 veces más eficiente que los sistemas comerciales.
Si se consiguiera un sistema de almacenamiento realmente barato y eficiente sería incluso planteable el almacenamiento de energía de origen renovable como la solar y eólica, que son fuentes de energía intermitentes y cuyo suministro varía de manera imprevisible, algo que ni las baterías actuales ni los condensadores son capaces de hacer hoy en día.
Gary Rubloff y Sang Bok Lee han desarrollado un método que mejora el almacenamiento de carga en condensadores gracias al uso de nanotecnología. Consiguen crear millones de nanoestructuras idénticas diseñadas para transportar electrones de manera rápida desde las grandes superficies donde son almacenadas. Usan técnicas de autoensamblado, reacciones autolimitadas y autoalineamiento para conseguirlo. Al final se obtienen millones o miles de millones de nanoestructuras idénticas que reciben, almacenan y liberan carga eléctrica, y por tanto energía.
La idea es almacenar energía eléctrica de tal modo que se tenga simultáneamente alta potencia y alta densidad energética para así tener un método de almacenamiento que proporcione potencia y que a la vez se cargue rápidamente. Un condensador almacena carga eléctrica de manera electrostática. El más sencillo condensador que se nos puede ocurrir consiste en dos placas metálicas separadas por un dieléctrico (aislante eléctrico). Para almacenar carga podemos llevar electrones de una placa a la otra de tal modo que haya un exceso de carga positiva (ausencia de electrones) en una placa y un exceso de carga negativa en la otra (exceso de electrones). Si entonces cortocircuitamos las dos placas con un cable los electrones pasan de un lado al otro (generándose una corriente) hasta llegar a una situación de equilibrio en la que ambas placas tienen carga neutra. Pero para conseguir mucha carga se necesita mucha superficie. Por eso el condensador de su flash tiene dos láminas metálicas flexibles separadas por un dieléctrico y enrolladas formando un cilindro compacto.
Pero esta manera de conseguir mucha superficie no es la única, o más bien no es suficiente. Se puede imaginar una estructura plegada sobre sí misma a la manera de las circunvalaciones cerebrales. Cuanto más pequeña sea la estructura más área tendremos para un volumen dado, de tal modo que con pliegues a escala nanométrica el área puede llegar a ser inmensa. Esto es justo lo que han hecho estos investigadores. El resultado obtenido almacena 10 veces más carga que los dispositivos comerciales sin sacrificar la alta potencia.
Lee y Rubloff están desarrollando ya la tecnología que permita fabricar estos condensadores de manera industrial masivamente a baja costo. Incluso creen que se podría integrar la producción de células solares y condensadores para producirlos a la vez en un sólo dispositivo. Se espera que este sistema experimente un desarrollo similar al de las baterías de litio.
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Nature Nanotechnology
Published online: 15 March 2009 | doi:10.1038/nnano.2009.37
Nanotubular metal–insulator–metal capacitor arrays for energy storage
Parag Banerjee1,2, Israel Perez1,2, Laurent Henn-Lecordier1,2, Sang Bok Lee3,4 & Gary W. Rubloff1,2,5
Abstract
Nanostructured devices have the potential to serve as the basis for next-generation energy systems that make use of densely packed interfaces and thin films1. One approach to making such devices is to build multilayer structures of large area inside the open volume of a nanostructured template. Here, we report the use of atomic layer deposition to fabricate arrays of metal–insulator–metal nanocapacitors in anodic aluminium oxide nanopores. These highly regular arrays have a capacitance per unit planar area of approx10 microF cm-2 for 1-microm-thick anodic aluminium oxide and approx100 microF cm-2 for 10-microm-thick anodic aluminium oxide, significantly exceeding previously reported values for metal–insulator–metal capacitors in porous templates2, 3, 4, 5, 6. It should be possible to scale devices fabricated with this approach to make viable energy storage systems that provide both high energy density and high power density.
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1. Department of Materials Science and Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
2. Institute for Systems Research, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
3. Department of Chemistry and Biochemistry, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
4. Department of Nanoscience and Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 335 Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, Korea
5. Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
Correspondence to: Sang Bok Lee3,4 e-mail: slee@umd.edu
Correspondence to: Gary W. Rubloff1,2,5 e-mail: rubloff@umd.edu
www.umresearch.umd.edu/research_at_um/issues/research@MDMarch09.pdf
www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/abs/nnano.2009.37.html
