Capacitor a base de agua resiste 60,000 ciclos sin degradarse

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Hamburgo en Alemania han demostrado que el agua pura puede almacenar electricidad cuando se confina en canales de arcilla a escala nanométrica, creando un supercapacitor eficiente en el almacenamiento y transferencia de carga eléctrica.

Este sistema, denominado “Blue Capacitor”, emplea agua pura como electrolito para transportar la carga eléctrica.

El Dr. Vasily Artemov, del Cluster de Excelencia “BlueMat—Water-Driven Materials” de la Universidad Tecnológica de Hamburgo, explicó que su objetivo es desarrollar tecnologías de almacenamiento de energía más seguras y sostenibles basadas en materiales abundantes, en lugar de compuestos químicos complejos.

Artemov añadió que el dispositivo almacena y libera energía de manera eficiente, funciona a un voltaje relativamente alto para un sistema basado en agua y mantiene su estabilidad tras decenas de miles de ciclos de carga.

Canales a escala nanométrica en el capacitor

El agua pura se ha considerado tradicionalmente un mal medio para almacenar energía. Las baterías y supercapacitores suelen requerir una mezcla química de sales, ácidos o solventes orgánicos volátiles para conducir electricidad, ya que sin ellos el almacenamiento energético es ineficaz.

El equipo de investigación buscó cambiar esta situación con la tecnología del “Blue Capacitor”, un dispositivo de almacenamiento de energía fabricado únicamente con tres materiales naturales y abundantes: agua, arcilla y carbono.

Para modificar el comportamiento fundamental del agua, el sistema confina el agua pura dentro de canales microscópicos.

Las arcillas se combinaron con grafeno, una forma ultra delgada y altamente conductora de carbono. Estos materiales forman un entramado denso de millones de canales paralelos, cada uno con un ancho aproximado de un nanómetro, unas 100,000 veces más delgado que un cabello humano.

Artemov señaló que sus resultados demuestran que el agua confinada a escala nanométrica puede funcionar como electrolito activo en un dispositivo de almacenamiento de energía práctico.

Para observar este fenómeno, el equipo utilizó PETRA III en DESY, uno de los centros de investigación con aceleradores de partículas más potentes del mundo.

El profesor Patrick Huber, coautor del estudio, indicó que solo con la fuente de rayos X PETRA III pudieron visualizar las láminas ultrafinas de agua dentro de las estructuras de arcilla.

Pruebas rigurosas del supercapacitor

El dispositivo desarrollado es un supercapacitor, una tecnología que almacena energía separando cargas eléctricas en lugar de emplear reacciones químicas. Esto permite cargas y descargas rápidas, además de una vida útil excepcionalmente larga.

En pruebas de laboratorio, el “Blue Capacitor” superó los 60,000 ciclos de carga y descarga sin mostrar degradación.

Además, operó a un voltaje de hasta 1.6 voltios, un umbral alto para sistemas basados en agua, que normalmente se descomponen en gases de hidrógeno y oxígeno a voltajes mucho menores.

Aunque las aplicaciones comerciales aún están a varios años de distancia, un capacitor no tóxico y no inflamable presenta un gran potencial.

Este avance abre posibilidades para el almacenamiento futuro de energía, con aplicaciones en la gestión de energía renovable proveniente de solar y eólica, estabilización de redes eléctricas y dispositivos que requieren ciclos de carga rápidos y frecuentes.

Artemov destacó que comprender las propiedades inesperadas a escala nanométrica de una sustancia común como el agua permite el desarrollo de nuevas aplicaciones tecnológicas.

Más allá de la energía verde, este descubrimiento también abre la puerta a sensores a escala nanométrica basados en agua y a la computación inspirada en sistemas biológicos.

Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications.