29 de septiembre de 2022.
Durante la conferencia Diseño de materiales nanoestructurados para supercapacitores amigables con el medio ambiente, organizada por El Colegio de Sinaloa como parte del ciclo Ciencia en Directo, la Dra. Ana Karina Cuentas —investigadora del Centro de Nanociencias y Nanotecnología, UNAM— presentó una investigación que involucra nuevos dispositivos de almacenamiento de energía, el 29 de septiembre del presente año, de forma virtual y compartida por redes sociales.
Para ilustrar lo anterior, utilizó el Gráfico Ragone mismo que muestra diversos dispositivos en términos de potencia, es decir, qué tan rápido y cuánta energía se puede acumular. Desde luego, citó a la gasolina como un material con alto valor de potencia y energía, por lo cual no es tan sencillo de sustituir y que ha originado investigaciones de frontera en otros materiales.
Con relación a los supercapacitores, ilustró que estos se utilizan en vehículos eléctricos, celulares, computadores, entre otros, por lo que requieren de baterías — la mayoría de ellas fabricadas a partir de litio pues acumulan más carga y brindan mayor potencia—. No obstante, explicó que éstas se calientan, aunque cada vez en menor medida. Subrayó que la química de los materiales no se puede apresurar, por lo que cuando se fuerza la demanda de un aparato, éste se calienta y va degradando los materiales. Agregó que los supercapacitores eficientan la energía y para ello la generación de nanomateriales están ayudando a favorecer su aumento.
La conferencia se centró en supercapacitores con materiales de carbón poroso, esto la llevó a investigar que prácticamente ni en Europa ni en Estados Unidos se estén realizando cadenas de reciclados, pues hay componentes que emiten gases de efecto invernadero a la hora del reciclado. Por lo tanto, los supercapacitores están sustituyendo estos materiales, mismos que se fabrican a partir de electrodos y para ellos se requiere de un aglutinante, que generalmente es un polímero que en su química están compuestos por flúor.
Los nuevos capacitores se basan en otro polímero: parten de partículas de celulosa. Para explicar someramente esta investigación, Ana Karina Cuentas presentó el carbón solar, cuya característica es ser nanoporoso y que se obtiene de residuos industriales. En el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM están investigando biomasa lignocelulósica a través de residuos como cáscaras de agave, de nuez o de olotes; también de residuos de vino del Valle de Guadalupe.
A partir de colaboraciones con otros investigadores de Ensenada, indicó que están utilizando un horno solar —una curiosidad científica— con un diámetro de 25 metros cuadrados donde se procesa la biomasa para obtener carbón nanoporoso; los científicos físicos hacen modelados de materiales de lignocelulosa, obteniendo celulosa, hemicelulosa y lignina. Esta última es importante pues es responsable de la obtención del carbón fijo.
De forma amplia, dijo que en sus experimentos han usado agave y poda de planta de jitomate; este último tiene cuatro veces más contenido inorgánico, que son las sales que provienen de la planta. Después del proceso de carbonización en el horno solar, la del jitomate aumentó el tamaño y porosidad como si fuera una esponja. Se evaluaron sus celdas y se hicieron ciclos de carga y descarga. El resultado es que la capacitancia debe mantenerse estable. Lo mismo ocurrió con la cáscara de nuez pecana, cuando se hace el procedimiento de activación alcanza mayor potencia y energía comparado con el carbón comercial.
Una pregunta importante es analizar si es útil un biocarbón, la respuesta la sustentó a partir del olote. Durante el proceso de biocarbón con olote, se agrega la biomasa, al quemarse en el horno solar se obtiene gas lo cual ayuda a generar electricidad. El residuo que sale es el carbón. Este residuo, si se inocula y se mete al suelo de nuevo, el resultado es CO2 negativo. Por otro lado, si se usa en capacitores, el ciclo es CO2 neutro. Por lo tanto, el biocarbón de residuos es una opción sustentable para obtener electrodos que posteriormente se utilizarán en capacitores.
A esto añadió otros ejemplos del diseño de materiales nanocompuestos de carbón poroso. Para ello se requiere de óxido que pueden ser de tungsteno, titanio, magnetita, rutenio, y se incorporan a un carbón nanoporoso, pues finalmente lo que se requiere para las baterías son óxidos metálicos baratos, abundantes y amigables con el medio ambiente.
A manera de ejemplo dijo que la compañía Maxwell Technologies —la máxima empresa en grades supercapacitores en vehículos eléctricos— tenía un proceso que implica solventes y menor impacto ambiental. Ante la demanda de materiales más amigables, se asociaron con una empresa coreana que trabaja nanomateriales que provienen de la fibra de coco. El carbón activado se usa para muchos usos desde la cosmética, hasta los nuevos capacitores.
Explicó que los problemas que ella aborda son desde lo nanométrico, hace falta ahora la parte eléctrica. “Son varias las disciplinas que se requieren para volver más eficiente la capacidad de almacenamiento de energía y lo suficientemente potente y estable”. Para ejemplificar, citó que ella ha acudido a la Fórmula E en la Ciudad de México, ahí los coches son eléctricos y los conductores de estos autos realmente se vuelven administradores de la energía, pues a mayor uso mayor descarga de baterías.
Entre sus conclusiones, señaló que hay que investigar “qué parte de la radiación solar es el responsable del procesamiento de almacenamiento de energía para poder avanzar en analizar qué les pasa a los materiales y qué sucede en esas reacciones internas y nanométricas”.
Al final, ponderó el valor del trabajo en equipo porque ya no es posible realizar investigación individual, es un reto que involucra a varias disciplinas y conocimientos para llegar a un lenguaje común entre los investigadores y generar respuestas ante los desafíos que demanda el requerimiento de energías limpias.
