La Traca #14 Luciérnagas: Baterías fabricadas a partir de palomitas de maíz

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Ya está disponible el podcast #14 de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

Baterías fabricadas a partir de palomitas de maíz: Se ha propuesto el uso de palomitas de maíz para fabricar baterías para los futuros autómoviles eléctricos. Parece de traca que en lugar de fabricar carbones activados a partir de biomasa vegetal, se usen palomitas de maíz en un horno de microondas casero que se someten a un proceso de activación química alcalina; gracias a ello se logra una estructura microporosa de gran área superficial y gran contenido en microporos pequeños (en especial nanoporos de tamaño próximo a 0,69 nm) que aumentan la capacitancia específica. El resultado son supercondensadores de carbono activado con buenas prestaciones.

El artículo es Jianhua Hou, Kun Jiang, …, Chuanbao Cao, “Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors,” ACS Appl. Mater. Interfaces 9: 30626–30634 (2017), doi: 10.1021/acsami.7b07746; Junhong Guo, Hongwei Guo, …, Jinfeng Cui, “Hierarchically Porous Carbon as a High‐Rate and Long‐Life Electrode Material for High‐Performance Supercapacitors,” ChemElectroChem 5: 770-777 (2018), doi: 10.1002/celc.201701286.

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A partir de palomitas de maíz se pueden obtener carbonos activos porosos, tras una activación química. Gracias a que los granos de maíz se abren y se inflan, se produce un material con una estructura porosa formada por copos de carbono. Mediante un método de activación química se puede usar en dispositivos para almacenar energía electroquímica. Se necesitan materiales con gran superficie por unidad de volumen y los materiales muy porosos son ideales. En el nuevo trabajo se forman las palomitas de maíz en un horno de microondas de 900 W durante 2 minutos. La estructura microporosa de las palomitas de maíz tiene poros con un tamaño típico de 10 μm, compuestos de hojas planas con un grosor entre 0,4 y 0,9 μm. El esqueleto de la estructura porosa no se cambia durante la precarbonización (microondas hasta 8 min). Tienen un alto contenido en nanoporos que se preservan en el proceso de activación química alcalina.

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Recuerda que cualquier tipo de biomasa permite fabricar materiales de carbono (elemento número seis de la Tabla Periódica de Elementos). Sus propiedades químicas son excepcionales, pudiendo formar orbitales atómicos híbridos sp, sp² y sp³ para formar moléculas con enlaces sencillos, dobles y triples. El carbono tiene cinco formas alotrópicas: grafito, diamante, fullerenos, nanotubos y carbinos. En el diamante cada átomo de carbono forma cuatro orbitales sp³; en el grafito cada carbono forma tres orbitales sp² planos, con un orbital p transversal, y se exfolia en capas monoatómicas de grafeno.

El “carbón vegetal” es el material de carbono más antiguo que se obtenía usando una combustión incompleta de materias orgánicas vegetales, como madera, cáscaras, huesos, …, y también coques de petróleo, carbones de bajo rango y turbas. Los carbones se activan mediante un tratamiento térmico, lo que da lugar a materiales porosos de gran área superficial. Se observan macroporos (>50 nm), mesoporos (2-50 nm) y microporos (<2nm). Los carbonos activados tienen muchas aplicaciones. Pero hoy en día están más de moda los nanotubos de carbono y el grafeno. Este último se obtiene de grafito (exfoliado) que puede ser grafito natural, o partir de biomasa vía descomposición anaeróbica, una posibilidad de producir grafenos de forma sostenible. Su uso masivo en la industria requiere procesos de síntesis a gran escala y bajo precio.

Dibujo20180406 Electrochemical performance of PCF-900 and PCF-850 in a two-electrode cell using the EMIMBF4 electrolyte acs doi 10 1021 acsami 7b07746

Los condensadores eléctricos o capacitancias eléctricas de alta densidad de almacenamiento de energía se llaman supercondensadores (o supercapacitancias). Permiten fabricar baterías de alta densidad de potencia específica, buena estabilidad y largo ciclo de vida. Sin embargo, suelen tener baja densidad de energía (menos de 8 Wh/kg) comparada con las baterías de ión-litio comerciales (∼180 Wh/kg). En este contexto los materiales de carbono micro- y nano-estructurados son muy prometedores. Los carbones activados porosos, el grafeno, los nanotubos de carbono, las fibras de carbono, los aerogeles de carbono y el carbón mesoporoso se pueden usar como materiales para el electrodo en supercondensadores. La microestructura porosa permite lograr una alta densidad de energía por unidad de volumen. Por ello son prometedores para la fabricación de nuevos tipos de baterías.

Con palomitas de maíz se ha alcanzado una excelente capacidad específica de 286 F/g a 90 A/g para supercondensadores. Se ha obtenido una alta densidad de energía de 103 Wh/kg, mucho mayor que la usual (menos de 8 Wh/kg) y comparable con las baterías de ión-litio comerciales (∼180 Wh/kg). Además, se logran 53 Wh/L para electrolito líquido iónico, los valores más altos entre los materiales de carbono derivados de biomasa. Así se podrán usar como fuente de energía primaria para vehículos eléctricos. Se han logrado supercondensadores con un 100% de retención de carga hasta 60 000 ciclos de recarga con una densidad de corriente de 5 A/g; cuando se usan con electrolitos líquidos se alcanzan densidades de energía de 133,94 Wh/kg, aunque la retención de carga es solo del 83,3 % tras 5000 ciclos.

La fabricación de supercondensadores a partir de palomitas de maíz se me antoja, un poco, de traca. Sin embargo, su fabricación a partir de biomasa parece muy prometedora en el marco de la llamada industria verde.

3 comentarios

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miguel miguel

Muchas gracias Francis, muy aclaratorio el articulo y esperanzador. De unos meses aca, estoy teniendo la sensacion (no digo premonicion porque no creo …) de un gran anuncio de un descubrimiento muy importante en materia energetica. Y falta nos hace y nos hara.

PD: como el anuncio del MIT de un marerial superconductor para crear imanes y hacer posibles reactores de fusion por confinamiento magnetico mas pequeños.

benjamin benjamin

Francis
Para entender el panorama actual y futuro de las baterias te pregunto
Las barterias de estado solido reemplazaran a las de litio en 2020s?
Las baterias con catodo de magnesio reemplazaran a los catodos de nickel y cobalto?
Las baterias de metal aire , litio aire magnesio aire etc cuando reemplazaran a a las de estado solido?
Y en baterias de red para energias renovables cual es la mas prometedora en un futuro de una decada?

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