Los supercondensadores, dispositivos eléctricos que almacenan y liberan energía, necesitan una capa de electrolito, un material eléctricamente conductor que puede ser sólido, líquido o estar en un punto intermedio. Ahora, investigadores del MIT y de varias otras instituciones han desarrollado una novedosa clase de líquidos que podría abrir nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia y la estabilidad de estos dispositivos, al tiempo que reduce su inflamabilidad.
«Este trabajo de prueba de concepto representa un nuevo paradigma para el almacenamiento de energía electroquímica», afirman los investigadores en su artículo que describe el hallazgo, publicado hoy en la revista Nature Materials.
Desde hace décadas, los investigadores conocen una clase de materiales denominados líquidos iónicos (esencialmente, sales líquidas), pero este equipo ha añadido ahora a estos líquidos un compuesto similar a un tensioactivo, como los que se utilizan para dispersar los derrames de petróleo. Con la incorporación de este material, los líquidos iónicos «tienen propiedades muy nuevas y extrañas», incluida una alta viscosidad, afirma Xianwen Mao, becario postdoctoral del MIT con doctorado en 2014 y autor principal del artículo.
«Es difícil imaginar que este líquido viscoso pueda utilizarse para almacenar energía», afirma Mao, «pero lo que descubrimos es que, una vez que aumentamos la temperatura, puede almacenar más energía, y más que muchos otros electrolitos».
Según explica, esto no resulta del todo sorprendente, ya que, con otros líquidos iónicos, a medida que aumenta la temperatura, «la viscosidad disminuye y la capacidad de almacenamiento de energía aumenta». Sin embargo, en este caso, aunque la viscosidad se mantiene más alta que la de otros electrolitos conocidos, la capacidad aumenta muy rápidamente con el incremento de la temperatura. Esto acaba confiriendo al material una densidad energética global (una medida de su capacidad para almacenar electricidad en un volumen determinado) que supera la de muchos electrolitos convencionales, además de una mayor estabilidad y seguridad.
La clave de su eficacia reside en la forma en que las moléculas del líquido se alinean automáticamente, dispuestas en una configuración en capas sobre la superficie del electrodo metálico. Las moléculas, que tienen una especie de cola en un extremo, se alinean con las cabezas orientadas hacia el electrodo o alejándose de él, y las colas se agrupan en el centro, formando una especie de sándwich. Esto se describe como una nanoestructura autoensamblada.
«La razón por la que se comporta de manera tan diferente» a los electrolitos convencionales se debe a la forma en que las moléculas se ensamblan intrínsecamente en una estructura ordenada y en capas allí donde entran en contacto con otro material, como el electrodo dentro de un supercondensador, afirma T. Alan Hatton, profesor de ingeniería química del MIT y autor sénior del artículo. «Forma una estructura de doble capa muy interesante, similar a un sándwich».
Esta estructura altamente ordenada ayuda a prevenir un fenómeno denominado «sobrecribado» (overscreening), que puede producirse con otros líquidos iónicos, en el que la primera capa de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) que se acumulan en la superficie de un electrodo contiene más iones de los que hay cargas correspondientes en la superficie. Esto puede provocar una distribución más dispersa de iones o una multicapa iónica más gruesa y, por tanto, una pérdida de eficiencia en el almacenamiento de energía; «mientras que en nuestro caso, debido a la forma en que todo está estructurado, las cargas se concentran dentro de la capa superficial», afirma Hatton.
La nueva clase de materiales, que los investigadores denominan SAIL, por sus siglas en inglés de líquidos iónicos activos en superficie, podría tener diversas aplicaciones para el almacenamiento de energía a alta temperatura, por ejemplo, para su uso en entornos calientes como la perforación petrolera o las plantas químicas, según Mao. «Nuestro electrolito es muy seguro a altas temperaturas e incluso funciona mejor», afirma. En cambio, algunos electrolitos utilizados en las baterías de iones de litio son bastante inflamables.
Según Mao, el material podría ayudar a mejorar el rendimiento de los supercondensadores. Estos dispositivos pueden utilizarse para almacenar carga eléctrica y, en ocasiones, se emplean para complementar los sistemas de baterías de los vehículos eléctricos, proporcionando un impulso adicional de potencia. Según Mao, utilizar el nuevo material en lugar de un electrolito convencional en un supercondensador podría aumentar su densidad energética entre cuatro y cinco veces. Según afirma, con el nuevo electrolito, los futuros supercondensadores podrían incluso llegar a almacenar más energía que las baterías, y potencialmente sustituirlas en aplicaciones como los vehículos eléctricos, la electrónica personal o las instalaciones de almacenamiento de energía a escala de red.
Según Mao, el material también podría resultar útil para diversos procesos de separación emergentes. «Muchos procesos de separación de desarrollo reciente requieren control eléctrico», en diversas aplicaciones de procesamiento y refinado químicos y en la captura de dióxido de carbono, por ejemplo, así como en la recuperación de recursos a partir de corrientes de residuos. Estos líquidos iónicos, al ser altamente conductores, podrían ser muy adecuados para muchas de estas aplicaciones, afirma.
El material que desarrollaron inicialmente es solo un ejemplo de una variedad de posibles compuestos SAIL. «Las posibilidades son casi ilimitadas», afirma Mao. El equipo seguirá trabajando en diferentes variaciones y en la optimización de sus parámetros para usos concretos. «Podría llevar unos meses o años», afirma, «pero trabajar en una nueva clase de materiales es muy estimulante. Hay muchas posibilidades de optimización adicional».
El equipo de investigación incluyó a Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua y Margarida Costa Gomes, del MIT; Ctirad Cervinka, de la École Normale Supérieure de Lyon, en Francia; Gavin Hazell y Julian Eastoe, de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido; Hua Li y Rob Atkin, de la Universidad de Australia Occidental; e Isabelle Grillo, del Instituto Max von Laue-Paul Langevin, en Grenoble, Francia. Los investigadores dedican su artículo a la memoria de Grillo, quien falleció recientemente.
«Es un resultado muy estimulante que los líquidos iónicos activos en superficie (SAIL), con estructuras anfifílicas, puedan autoensamblarse en las superficies de los electrodos y mejorar el rendimiento del almacenamiento de carga en superficies electrificadas», afirma Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, que no participó en esta investigación. «Los autores han estudiado y comprendido el mecanismo. El trabajo aquí podría tener un gran impacto en el diseño de supercondensadores de alta densidad energética, y también podría ayudar a mejorar el rendimiento de las baterías», afirma.
Nicholas Abbott, profesor Tisch de la Universidad de Cornell, que tampoco participó en este trabajo, afirma: «El artículo describe un avance muy ingenioso en el almacenamiento de carga interfacial, demostrando con elegancia cómo el conocimiento del autoensamblaje molecular en las interfaces puede aprovecharse para abordar un desafío tecnológico contemporáneo».
El trabajo contó con el apoyo de la Iniciativa Energética del MIT, una beca del programa MIT-Skoltech y la Fundación Checa para la Ciencia.
