El avance de la energía renovable y los vehículos eléctricos (EV) ha incentivado a los científicos a buscar diversas formas de resolver el problema con el almacenamiento eficiente de energía, que es la clave para una mayor adopción de las tecnologías de energía verde.
La mayor parte de las investigaciones se centran en las baterías: cómo hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras y eficientes o cómo utilizar otros elementos más baratos en las baterías.
La mayoría de las investigaciones anteriores se han centrado en el almacenamiento químico y las reacciones electroquímicas en las baterías.
Ahora los investigadores de la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT) de Australia proponen un diseño basado en las propiedades mecánicas de las nanoestructuras que contienen diamantes que podrían utilizarse potencialmente en dispositivos de almacenamiento de energía mecánica, incluyendo baterías, sistemas de detección biomédica, artículos de vestir y pequeños robots y aparatos electrónicos.
Las funciones mecánicas de un haz de nanohilos de diamantes (DNT) tienen el potencial de almacenar y liberar energía cuando se estira o se retuerce. Estos haces de nanohilos de diamante consisten en hilos de carbono unidimensionales.
“De manera similar a una bobina comprimida o a un juguete de cuerda para niños, la energía puede ser liberada a medida que el paquete retorcido se desenreda”, dijo el Dr. Haifei Zhan del Centro QUT para la Ciencia de los Materiales en una declaración.
Zhan y sus colegas han descubierto que los paquetes de diamantes tienen una alta densidad de energía, es decir, cuánta energía contiene un sistema en comparación con su masa. El equipo ha modelado con éxito las capacidades de almacenamiento y liberación de energía mecánica de un haz de DNT y ha publicado su trabajo de investigación en Nature Communications.
El modelo es solo un primer paso en la investigación del equipo sobre el potencial del almacenamiento de energía mecánica en comparación con el almacenamiento de energía electroquímica. Los científicos planean ahora diseñar un sistema experimental de energía mecánica a nanoescala como prueba de concepto y pasarán los próximos dos o tres años construyendo el sistema que controlará la torsión y el estiramiento del haz de nanohilos.
A pesar de que la investigación de los nanohilos de diamante está en sus primeras etapas, los experimentos iniciales muestran resultados prometedores. Comparado con las baterías de iones de litio, el haz de nanohilos de diamante tiene hasta tres veces la densidad de energía, según los científicos de la QUT.
“Los materiales con densidad de energía son muy importantes para muchas aplicaciones, por lo que siempre buscamos materiales ligeros que aún funcionen bien”, dijo el Dr. Zhan.
La alta densidad de energía y el bajo peso de los materiales utilizados podrían ser un gran avance para resolver el problema de cómo empaquetar el alto potencial de energía en un sistema de almacenamiento de energía de peso ligero.
Debido a su bajo peso, el nanohilo de diamante podría encontrar aplicaciones en la electrónica aeroespacial. Debido a la naturaleza mecánica -no electroquímica- de su potencial de almacenamiento de energía, los paquetes de diamantes podrían utilizarse para implantar sistemas de detección biomédica que monitoreen las funciones del corazón y del cerebro, dicen los investigadores de la QUT. Y, en el caso de las baterías, la naturaleza mecánica de la energía sería más segura que las reacciones electroquímicas de las baterías de iones de litio.
“A diferencia de los almacenamientos químicos como las baterías de iones de litio, que utilizan reacciones electroquímicas para almacenar y liberar energía, un sistema de energía mecánica en sí mismo conllevaría un riesgo mucho menor en comparación”, dijo el Dr. Zhan.
Los sistemas de almacenamiento de energía mecánica son uno de los muchos proyectos de investigación e innovaciones recientes en materia de almacenamiento de energía. El calor, la gravedad o la energía geotérmica podrían utilizarse para almacenar y liberar energía, como han demostrado los científicos y las empresas.
Aunque las baterías de iones de litio son actualmente la solución de almacenamiento de energía más popular y ampliamente utilizada, el futuro podría estar en las nanoestructuras que utilizan fuerzas energéticas mecánicas en lugar de químicas.
Según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la constante disminución de los costos de las tecnologías renovables disponibles ha estimulado un gran interés en el almacenamiento de energía y en diversas soluciones para mejorar los sistemas de almacenamiento de energía.
“Hay un malentendido. El almacenamiento se considera a menudo como almacenamiento electroquímico o de baterías”, dice Adarsh Nagarajan, el gerente del grupo de Diseño y Planificación de Sistemas Eléctricos del NREL, que trabaja en la integración de las energías renovables en la red.
“El almacenamiento va más allá de las baterías. Está más allá de lo electroquímico. Es mucho más amplio”.