Dentro de los teléfonos móviles modernos hay miles de millones de interruptores a nanoescala que se encienden y apagan, lo que permite que el teléfono funcione. Estos interruptores, llamados transistores, son controlados por una señal eléctrica que se transmite a través de una única batería. Esta configuración de una batería para alimentar varios componentes funciona bien para las tecnologías actuales, pero hay margen de mejora. Cada vez que una señal se transmite desde la batería hasta un componente, se pierde algo de energía en el trayecto. Acoplar cada componente con su propia batería sería una configuración mucho mejor, pues minimizaría la pérdida de energía y maximizaría la vida útil de la batería. Sin embargo, en el mundo tecnológico actual, las baterías no son lo bastante pequeñas para permitir esta disposición, al menos por ahora.
Ahora, el Laboratorio Lincoln del MIT y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT han logrado avances en el desarrollo de baterías de hidrógeno a nanoescala que utilizan tecnología de división del agua. Con estas baterías, los investigadores pretenden ofrecer una carga más rápida, una vida útil más larga y menos energía desperdiciada. Además, las baterías son relativamente fáciles de fabricar a temperatura ambiente y se adaptan físicamente a necesidades estructurales específicas.
«Las baterías son uno de los mayores problemas con los que nos encontramos en el Laboratorio», afirma Raoul Ouedraogo, del Grupo de Sensores y Técnicas Avanzadas del Laboratorio Lincoln, que es también el investigador principal del proyecto. «Existe un gran interés por sensores altamente miniaturizados, de hasta el tamaño de un cabello humano. Podríamos fabricar ese tipo de sensores, pero buena suerte encontrando una batería tan pequeña. Las baterías actuales pueden ser redondas, como las de botón, tener forma de tubo o ser delgadas, pero a escala de centímetros. Si tenemos la capacidad de fabricar nuestras propias baterías con cualquier forma o geometría y de manera económica, se abren las puertas a un gran número de aplicaciones.»
La batería obtiene su carga al interactuar con las moléculas de agua presentes en el aire circundante. Cuando una molécula de agua entra en contacto con la sección metálica exterior y reactiva de la batería, se divide en sus partes constituyentes: una molécula de oxígeno y dos de hidrógeno. Las moléculas de hidrógeno quedan atrapadas dentro de la batería y pueden almacenarse hasta que estén listas para su uso. En este estado, la batería está «cargada». Para liberar la carga, la reacción se invierte. Las moléculas de hidrógeno vuelven a pasar por la sección metálica reactiva de la batería y se combinan con el oxígeno del aire circundante.
Hasta ahora, los investigadores han construido baterías de 50 nanómetros de grosor, más delgadas que un cabello humano. También han demostrado que el área de las baterías puede escalarse desde tamaños de hasta centímetros hasta tamaños de nanómetros. Esta capacidad de escalado permite integrar las baterías con facilidad junto a transistores a nano y micro escala, o junto a componentes y sensores a escala milimétrica y centimétrica.
«Una característica útil de esta tecnología es que las capas de óxido y metal pueden modelarse con mucha facilidad en geometrías personalizadas de escala nanométrica, lo que facilita construir patrones complejos de baterías para una aplicación concreta o depositarlas sobre sustratos flexibles», afirma Annie Weathers, miembro del personal del Grupo de Tecnologías Químicas, Microsistemas y Nanoescala del laboratorio, que también participa en el proyecto.
Las baterías también han demostrado una densidad de potencia dos órdenes de magnitud superior a la de la mayoría de las baterías de uso actual. Una mayor densidad de potencia significa más potencia de salida por volumen de batería.
«Creo que lo que hizo posible este proyecto es que ninguno de nosotros es especialista en baterías», afirma Ouedraogo. «A veces hace falta que alguien ajeno vea cosas nuevas.»
Actualmente, las técnicas de división del agua se utilizan para generar hidrógeno para necesidades industriales a gran escala. Este proyecto será el primero en aplicar la técnica para crear baterías, y a escalas mucho menores.
El proyecto fue financiado a través de la Iniciativa Energética de la Oficina de Tecnología del Laboratorio Lincoln y ha entrado en la fase dos de desarrollo, que incluye optimizar aún más las baterías e integrarlas con sensores.
