Los químicos de materiales han intentado durante años fabricar un nuevo tipo de batería que pueda almacenar energía solar u otra fuente de luz en enlaces químicos en lugar de electrones, una que liberará la energía bajo demanda en forma de calor en lugar de electricidad, abordando elnecesidad de almacenamiento de energía solar a largo plazo, estable y eficiente.
Ahora un grupo de químicos de materiales en la Universidad de Massachusetts Amherst dirigido por Dhandapani Venkataraman, con el estudiante de doctorado y primer autor Seung Pyo Jeong, los estudiantes de doctorado Larry Renna, Connor Boyle y otros, informan que han resueltouno de los principales obstáculos en el campo mediante el desarrollo de un sistema basado en polímeros. Puede generar una densidad de almacenamiento de energía la cantidad de energía almacenada más de dos veces mayor que los sistemas de polímeros anteriores. Los detalles aparecen en la edición actual de Informes científicos .
Venkataraman y Boyle dicen que la alta densidad de almacenamiento de energía anterior lograda en un sistema polimérico estaba en el rango de 200 julios por gramo, mientras que su nuevo sistema puede alcanzar un promedio de 510 julios por gramo, con un máximo de 690. Venkataramandice: "La teoría dice que deberíamos ser capaces de alcanzar 800 julios por gramo, pero nadie podría hacerlo. Este artículo informa que hemos alcanzado una de las densidades de energía más altas almacenadas por gramo en un sistema polimérico, y cómo lo hicimos"
Los autores dicen que a medida que mejora la densidad de almacenamiento de energía, y con su trabajo se está acercando a la capacidad de las baterías de litio, las aplicaciones para la nueva tecnología incluyen posibilidades tales como paneles solares que recolectan energía del sol durante el día y luego la almacenanpara calentar alimentos, espacios de vida, ropa o mantas por la noche. Boyle señala que este enfoque será especialmente valioso en áreas donde no hay acceso a una red eléctrica.
Venkataraman dice que el logro de su grupo probablemente no hubiera sido posible sin el trabajo teórico anterior de Jeffrey Grossman en el MIT: "Sin su documento y sus pensamientos sobre la teoría, no creo que hubiéramos llegado a donde estamos hoy". Grossmansugirió que se podría lograr una mayor densidad de energía si el compuesto de uso común, las moléculas de azobenceno, se dispusieran a lo largo de un nanotubo de carbono rígido. Este marco permitiría a los científicos manipular las interacciones moleculares, lo que determina cuánta energía se absorbe y libera.
Venkataraman explica: "Entendimos la idea de controlar la disposición, pero pensamos, ¿qué pasa si usamos un polímero flexible, no un tubo rígido? Algo así como una cadena de luces de Navidad, donde las luces son las moléculas de azobenceno. Porque quélo que no se puede hacer con un nanotubo de carbono es reducir la distancia entre las moléculas. Pensamos que la estructura de una cadena de polímero permitiría que los grupos de azobenceno se acercaran e interactuaran, que es cuando ganan energía y se vuelven más estables ".
Su idea funcionó, agrega, "pero no entendimos por qué. El hallazgo fue inesperado, por lo que no podíamos parar allí. Cada vez que mis estudiantes venían a mí con números altos inexplicables, los enviaba de regreso para hacer máscontrolar los experimentos para comprender y validar los resultados. Teníamos que ser escépticos, porque teníamos un resultado inusual ".
Venkataram dice: "El giro en la historia es que pensamos que la distancia entre las luces en la cuerda era la más importante. Es importante, pero lo que es más importante es la forma en que las cuerdas múltiples y sus luces se arreglan cuidadosamenteResulta que el solvente de procesamiento que utilizamos actúa para organizar y regular la arquitectura, por lo que las moléculas de azobenceno unidas al polímero están dispuestas de forma muy ordenada y compacta. Básicamente actúa para garantizar que pueda haber una densidad de empaquetamiento máxima ".
Utilizaron el solvente tetrahidrofurano THF para este procesamiento "simplemente porque es un buen solvente para este sistema de polímeros", dice Boyle, sin sospechar que influiría en la cantidad de energía almacenada y luego liberada cuando comenzamos.
Venkataraman dice: "Este artículo habla sobre cómo, a nivel molecular, el THF afecta la energía que vemos en la escala macro. Comienza con la forma en que la molécula solvente interactúa con el polímero y resulta que eso está relacionado conel empaquetamiento molecular, cómo se organizan en el espacio. Cuando las moléculas se empaquetan adecuadamente pueden ganar más energía. Tomó dos años de trabajo, pero finalmente pudimos demostrar que es verdad ".
Agrega que una colaboración con científicos de Schrödinger, Inc., una compañía de software y soluciones científicas con sede en Nueva York, también desempeñó un papel clave para ayudar a los científicos de UMass Amherst a comprender los orígenes de las altas densidades de almacenamiento de energía observadas.por Shaun Kwak, científico principal de aplicaciones en Schrödinger, con expertos en tecnología de campo de fuerza Ed Harder y Wolfgang Damm, el proyecto obtuvo el apoyo necesario de la compañía.
Kwak dice: "Trabajar directamente con científicos con experiencia experimental al más alto nivel siempre tiene un valor muy alto en Schrödinger". Él enfatiza el efecto sinérgico que observó de primera mano durante toda la colaboración. "Nos brinda una gran oportunidad para nosotros".para mostrar el poder de la química computacional al borde de las ideas más innovadoras, como se muestra en este trabajo "
Los químicos de materiales planean hacer un seguimiento de este descubrimiento con trabajo para resolver algunos problemas prácticos relacionados con la carga del sistema, por lo que aún no han fabricado una batería, pero eso está por venir. Este trabajo fue respaldado por UMass Amherst.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Massachusetts en Amherst . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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