Un descubrimiento poderoso podría ser el eslabón perdido de una era de autos eléctricos

La tecnología de lentes de contacto blandas podría conectar las fuentes de energía renovables y la red y mejorar los automóviles eléctricos

En la década de 1970, el Dr. Donald Highgate encontró una manera de hacer que los lentes de contacto fueran más cómodos. Junto con sus colegas de la Universidad de Surrey, desarrolló un polímero transparente y flexible que retuvo el agua como una esponja.

Ahora, la misma tecnología ha generado un nuevo material supercondensador que podría acelerar la adopción de automóviles eléctricos y resolver uno de los mayores problemas que enfrentan las energías renovables.

En lugar de almacenar energía en forma química como una batería, los supercondensadores la mantienen en un campo eléctrico, como la acumulación de estática en un globo. En 2011, Elon Musk de Tesla predijo que habría supercondensadores, no baterías, que impulsarían los vehículos del futuro.

Prometen tiempos de carga más rápidos y no dependen de materiales costosos como el litio y el cobalto, dice el Dr. Sam Cooper de la Escuela de Ingeniería de Diseño Dyson. También son más duraderos. “Los supercondensadores tienen una vida útil muy larga”, explica. “Puede llenarlos vacíos muchas veces”.

El problema siempre ha sido la falta de densidad energética. Los mejores supercondensadores disponibles tienen solo el cinco por ciento de la energía por kilogramo de una batería de iones de litio. Una flota de autobuses eléctricos propulsados ​​por supercondensadores en Shanghai lo ilustra. Aunque pueden cargar en menos de 30 segundos dejando pasajeros, tienen que hacerlo cada pocas paradas. Pero eso podría estar a punto de cambiar.

Superdielectrics Ltd ha desarrollado un supercondensador que puede almacenar “cantidades notables de electricidad, mucho más allá de lo que hemos visto antes”, según su director ejecutivo, Jim Heathcote. Es barato de producir, no utiliza elementos raros y, debido a que es principalmente agua, no puede incendiarse como las baterías tradicionales. El descubrimiento ocurrió casi por accidente, dice Highgate, quien ahora es el director de investigación de la compañía.

Sus lentes de contacto se basaban en una malla de polímero que se hinchaba a medida que se le adherían moléculas de agua, atrapando más agua en los agujeros de la malla. Al agregar varios elementos a la mezcla, pudo darle al polímero propiedades adicionales. En la década de 1990, él y Heathcote desarrollaron una variante con atributos que podrían usarse para celdas de combustible de hidrógeno.

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Hasta 2016, la pareja intentó hacer que su matriz polimérica fuera más conductora de la electricidad, dadas las aplicaciones biomédicas, posiblemente como una interfaz entre el sistema nervioso y las prótesis. Pero cuando probaron el nuevo polímero, un delgado cuadrado azul claro del tamaño de un sello postal, sucedió algo extraño.

Highgate recuerda haber garabateado cifras aproximadas en el reverso de un sobre. “Hice los cálculos y pensé, ‘El maldito infierno es ridículo'”, recuerda. “[The capacitance] era 100 veces más de lo que debería haber sido para una cosa pequeña un centímetro cuadrado. Pensé que había cometido un error “.

Encontraron un material con propiedades dieléctricas entre 1.000 y 10.000 veces superiores a las de los conductores existentes. Durante los últimos 14 meses, Superdielectrics ha estado trabajando con investigadores de las universidades de Bristol y Surrey para determinar si sus polímeros funcionan en condiciones reales. Publicaron sus resultados esta semana.

Los científicos han creado pequeños dispositivos que pueden alimentar un ventilador o LED durante unos minutos y afirman que con trabajo adicional, el material podría llegar a alcanzar densidades de energía de hasta 180 vatios-hora por kilogramo, en comparación con los 10 Whr / kg de los mejores supercondensadores. disponible hoy.

Esto alinearía los supercondensadores con las baterías de iones de litio. Podría significar teléfonos inteligentes que se cargan en segundos y vehículos eléctricos más baratos y seguros que puede alimentar al mismo tiempo que se necesita para llenar un automóvil con gasolina. En lugar de cargar otras paradas, los autobuses de China podrían funcionar durante 20 o 30 antes de ser retorcidos en segundos.

Acortar los tiempos de carga también podría acelerar la adopción de vehículos eléctricos, según la Dra. Jenifer Baxter de la Institución de Ingenieros Mecánicos. “Si puede reducir el tiempo dedicado a la carga y mantener o aumentar el alcance durante esa carga, esto definitivamente reducirá la ansiedad de las personas acerca de los vehículos eléctricos”, dice.

El frenado regenerativo es otra aplicación potencial. “A las baterías no les gusta que se carguen rápidamente”, dice Cooper, que no participó en la investigación. Los supercondensadores son perfectos para esto y podrían ayudar a optimizar los vehículos eléctricos.

Hay algunos obstáculos potenciales que superar. Aunque el material es competitivo con las baterías pesadas, Cooper señala que el tamaño también importará si se usa en vehículos. Esto aún no se ha investigado, pero Highgate estima que el volumen de un supercondensador fabricado con esta tecnología sería aproximadamente un 30 por ciento más alto que el de una batería equivalente.

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Otro problema con el “talón de Aquiles” de los supercondensadores, según Highgate, es su corriente de fuga interna. Si bien las baterías pueden almacenar energía durante semanas o meses, los supercondensadores solo pueden hacerlo durante horas o días antes de agotarse. Es posible que esto no importe para algunas aplicaciones, pero sería un problema para los coches eléctricos si no se utilizaran durante unos días. Combinar supercondensadores con baterías de repuesto podría ser una solución.

La mayoría ve el primer uso de esta tecnología no en los automóviles, sino como una parte clave de la infraestructura de carga. “Aproximadamente la mitad de la población no vive en un lugar donde pueda cargar en casa por la noche”, dice Tim Martin, director de Zapinamo, que desarrolla estaciones de carga flexibles. En cambio, estas personas necesitan acceso a instalaciones de carga rápida, pero Martin dice que la red nacional tendría dificultades para suministrar electricidad a la velocidad requerida.

Grandes unidades de almacenamiento llenas de supercondensadores podrían comenzar a aparecer en las estaciones de servicio para actuar como un amortiguador entre los autos eléctricos y la red. Podrían cargar lentamente, fuera de las horas pico, cuando la electricidad es más barata, y luego entregar esa energía a más vehículos rápidamente, cuando sea necesario. “La energía almacenada es la única forma en que puede combinar la energía instantánea con la velocidad de carga que hace que la ansiedad remota desaparezca”, dice Martin.

El mismo enfoque también podría cambiar las reglas del juego para las energías renovables. Debido a que la energía solar y eólica son impredecibles, la electricidad que generan debe almacenarse para que pueda liberarse durante los descansos. “Cuando todos ponen la tetera después de la cena, el repentino aumento de la demanda debe provenir de algún lugar”, dice Cooper. Por el momento, esto se hace principalmente bombeando agua y haciendo funcionar las turbinas cuando se necesita energía, pero los supercondensadores ofrecen mucha más flexibilidad porque pueden responder muy rápidamente.

“La energía eólica, de las olas y la solar está disponible, pero es intermitente y, sin almacenamiento, no se puede confiar en ella para satisfacer nuestras necesidades energéticas”, dice Highgate. “Este nuevo trabajo transformaría el sistema energético que subyace a nuestra forma de vida; es el desarrollo necesario antes de que nosotros y nuestros hijos podamos tener un suministro de energía verdaderamente sostenible y ambientalmente seguro”.

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