200 años después, el almacenamiento de energía de plata y zinc está teniendo su momento

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La carrera por el próximo gran avance en el almacenamiento de energía de repente se hizo mucho más pequeña, más delgada, más liviana, más elástica y más retorcida, ahora que los investigadores han resuelto algunos problemas en la tecnología de plata y zinc. La nueva batería no está lista para deslizarse en un vehículo eléctrico, pero allana el camino para una nueva generación de equipos electrónicos más livianos y eficientes, y también mejores perspectivas de reciclaje.

Nueva combinación de almacenamiento de energía de plata y zinc para producir una nueva generación de robots blandos y dispositivos 5G con baterías flexibles, si todo va según el plan (captura de pantalla cortesía de UC-Davis).

Hace 200 años nació una nueva era en el almacenamiento de energía

Según nuestros amigos de la NASA, la combinación de almacenamiento de energía de plata y zinc apareció por primera vez en escena Hace 200 años, más o menos. Los obstáculos tecnológicos aún persisten, pero el atractivo de la alta densidad de energía, el tamaño compacto y el bajo peso proporcionan una amplia motivación para que los investigadores sigan resolviendo los problemas.

La combinación de plata y zinc ofrece “más energía por onza que cualquier otro par de baterías ”, se entusiasmó la NASA en un resumen tecnológico de 2016, al tiempo que señaló que las primeras versiones de la batería se vieron afectadas por problemas importantes.

“El mayor desafío para las baterías de plata-zinc fue que sus electrodos, los conductores eléctricos negativos y positivos de la celda, eran solubles y se deterioraban rápidamente”, explica la NASA. “La respuesta a este desafío, desarrollado por primera vez a fines de la década de 1920 por el profesor Henri André y luego propuesto por el ejército estadounidense en la Segunda Guerra Mundial, fue una membrana para separar los dos electrodos”.

Esa misma tecnología de 100 años todavía se usa en algunas aplicaciones por el Departamento de Defensa, incluidos submarinos y torpedos. Sin embargo, eso se aplica solo a las baterías desechables. El problema de los electrodos aún persistía en relación con los dispositivos de almacenamiento de energía recargables, lo que significa que el rendimiento se desplomaría después de unos pocos ciclos de carga.

Finalmente, un gran avance para el almacenamiento de energía de plata y zinc

Para los propósitos de la NASA, el enfoque de almacenamiento de energía de zinc-plata también se quedó corto porque el rendimiento empeoraba aún más si la batería se esterilizaba térmicamente, lo cual tenía que ser para evitar la posibilidad de que, digamos, un microbio letal se abriera camino. alrededor del sistema solar.

Avance rápido desde la década de 1920 hasta 1972, cuando una asociación público-privada entre la NASA y Douglas Aircraft Company produjo una versión recargable que podía resistir la esterilización por calor, hasta 500 ciclos de carga.

Eso está cerca, pero no puro. En la década de 1970, la plataforma de almacenamiento de energía de níquel-cadmio comúnmente utilizada en aplicaciones espaciales podía durar 10.000 ciclos.

Si se está preguntando por qué la NASA no se quedó con el níquel-cadmio, esa es una buena pregunta. ¿Pero ya olvidaste eso de más energía por onza? Como lo describió la NASA, la combinación de plata y zinc era 1/3 del tamaño de su contraparte de níquel y cadmio, y también pesaba mucho menos.

No, esta vez es realmente un gran avance

El ahorro de tamaño y peso proporcionó suficiente interés para que la NASA siguiera trabajando en I + D después de la década de 1970, pero un avance real resultó difícil de alcanzar, al menos para las aplicaciones espaciales. Los números del ciclo de carga mejoraron, pero el mejor rendimiento solo se produjo si la batería se cargó a niveles más bajos.

La NASA vio cierto potencial para el almacenamiento de energía de plata y níquel para dejar de lado la tecnología de iones de litio en áreas comerciales que requieren dispositivos de almacenamiento de energía del tamaño de una pinta, como audífonos, por ejemplo. Aquí, hagamos que la NASA explique:

“… Las baterías de iones de litio son propensas a un fenómeno conocido como fuga térmica, que en casos raros pero desastrosos hace que se incendien. Esto no es posible con las baterías de plata y zinc, que utilizan una química a base de agua. Las baterías de iones de litio también requieren más embalaje y otros componentes que ocupan un mayor porcentaje de su espacio cuanto más pequeños se vuelven, por lo que es una tecnología menos eficiente para espacios pequeños ”.

Finalmente, en la década de 1990, una empresa llamada ZPower adoptó la química de la NASA y la impulsó a un nivel superior.

“La empresa ha mejorado los cuatro componentes activos de la batería: los dos electrodos, el electrolito y los separadores, obteniendo unas 100 nuevas patentes. Las baterías ahora pueden sobrevivir hasta 1,000 ciclos de descarga sin perder una capacidad significativa ”, dijo entusiasmada la NASA.

Almacenamiento de energía de próxima generación para mí y para ti

Si se pregunta qué le pasó a ZPower, adivina qué, todavía está aquí, y la empresa se ha asociado con el Universidad de California-Davis en el diseño de una nueva batería de óxido de plata y zinc recargable y flexible que tiene de 5 a 10 veces más densidad de energía real que las mejores disponibles en la actualidad.

“La batería también es más fácil de fabricar; mientras que la mayoría de las baterías flexibles deben fabricarse en condiciones estériles, al vacío, esta puede ser impresa en condiciones normales de laboratorio. El dispositivo se puede utilizar en electrónica flexible y extensible para dispositivos portátiles, así como en robótica suave ”, explica UC Davis.

Por más fácil de fabricar, quieren decir que el dispositivo se puede serigrafiar como tinta en un entorno de laboratorio normal. Además de preparar las tintas, la impresión tarda unos segundos y la batería está seca y lista para usar en cuestión de minutos. El equipo de investigación también señala que un proceso de impresión de rollo a rollo de alta velocidad también podría funcionar.

Si captó esa cosa sobre el óxido, esa es la clave para mejorar la densidad de energía. Actualmente, hay otras baterías flexibles de plata y zinc disponibles en el mercado, pero utilizan el combo Ag2O-Zn. El equipo de UC-Davis optó por AgO-Zn, lo cual fue un desafío considerando que es difícil trabajar con AgO.

“La AgO se considera tradicionalmente inestable. Pero el material de cátodo AgO de ZPower se basa en un recubrimiento de óxido de plomo patentado para mejorar la estabilidad electroquímica y la conductividad de AgO ”, explica UC-Davis. “Como beneficio adicional, la química AgO-Zn es responsable de la baja impedancia de la batería”.

Para conocer todos los detalles interesantes, consulte el artículo de investigación del equipo en la revista. Joule, disponible en la edición del 7 de diciembre.

Más y mejor almacenamiento de energía para un futuro verde brillante

Hasta ahora, la nueva plataforma ha funcionado sin ninguna pérdida significativa de capacidad durante 80 ciclos de carga, mientras está sujeta a torsiones y flexiones.

Eso vuelve a plantear la pregunta de por qué no seguir con el almacenamiento de energía de iones de litio probado y verdadero, pero teniendo en cuenta el ángulo de tamaño y todas las piezas encajan en su lugar. El almacenamiento de energía de iones de litio requiere características de seguridad y otros complementos de ingeniería que aportan volumen. Eso no es un problema particular para las baterías más grandes, pero todos esos extras se convierten en un obstáculo para la miniaturización.

El equipo de investigación ya está trabajando en mejoras que reduzcan costos y carguen más rápido, con la mirada puesta en nuevos dispositivos que aprovechen la nueva tecnología inalámbrica 5G, así como los mercados en el campo de la robótica suave pequeña.

El ángulo de flexibilidad abre el potencial para una nueva generación de robots blandos miniaturizados. Proporciona a los ingenieros más libertad de diseño, la idea es adaptar la batería para adaptarse al uso, en lugar de tener que averiguar cómo diseñar un robot alrededor de una batería estándar.

Por pequeño, se refieren a pequeño. Consulte este artículo de 2018 en la revista Naturaleza, que revisa el potencial de usos clínicos en robótica blanda. El autor señala que se avecinan obstáculos formidables, pero la recompensa podría ser enorme (se agregó un descanso para mejorar la legibilidad):

Pequeños robots sin ataduras tener la capacidad única de acceder y navegar de forma no invasiva en áreas estrechas y difíciles de alcanzar dentro de nuestro cuerpo y para realizar operaciones terapéuticas y de diagnóstico1. Como resultado, estos robots podrían eliminar la necesidad de un procedimiento invasivo.

“… Recientemente, el diseño de pequeños robots de cuerpo blando ha puesto al alcance la traducción clínica de robots en miniatura. Estos robots son físicamente inteligentes y no dañan los tejidos debido a su tamaño y naturaleza suave. Además, su forma se puede programar de forma activa o pasiva, lo que les permite adaptarse a su entorno y les otorga una gran cantidad de grados de libertad ”.

El campo de la atención de la salud ha estado jugando con su huella de carbono y el brote de COVID-19 no ha ayudado a nadie. Una nueva generación de herramientas de diagnóstico de bajo impacto ayudaría a mover las cosas en la dirección correcta.

Estamos pensando que los robots flexibles también podrían realizar tareas de mantenimiento y reparación en paneles solares, turbinas eólicas y otros dispositivos de tecnología limpia, así que estad atentos para más información al respecto.

Sigueme en Gorjeo.

Imagen (captura de pantalla): Batería flexible de plata y zinc cortesía de UC-Davis.

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