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El sodio es un metal brillante como cualquier otro, altamente reactivo como todos los otros miembros de los metales alcalinos. Es capaz de reaccionar con la humedad del aire y violentamente con el agua. Recientemente, se plantea el uso del dicho elemento en la fabricación de baterías que sustituyan las de litio

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Los nanotubos son considerados alótropos del carbono, poseen propiedades como densidad, conductividad térmica, resistencia muy aplicaciones muy variables.

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El hidrógeno en los últimos años se ha venido investigando como una posible fuente de energía renovable capaz de sustituir y/o mejorar los recursos actuales, entre los principales factores por los que este elemento es de gran interés, es razones de eficiencia energética, es decir su energía química puede ser convertida directamente en energía eléctrica sin presentar limitaciones, también por razones dependencia, que radica en la escasez de combustibles fósiles y las razones ambientales, y el beneficio de que su uso no genera emisiones.

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Satisfacer la demanda creciente de energía al enfrentarse a los recursos limitados que las fuentes comúnmente utilizadas tienen, y a los impactos ambientales que estos generan se ha convertido en un gran desafío.

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¿En dónde se utiliza actualmente el hidrógeno como fuente de energía? 

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¿En dónde se utiliza actualmente el hidrógeno como fuente de energía? 

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https://www.lavanguardia.com/local/valencia/20220530/8292305/hidrogeno-verde-coste-revolucion-energetica-impulsa-spin-off-valenciana.html

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Con pedagogía, y no sin cierta ilusión, el químico Gonzalo Abellán explica a sus familiares y amigos -y también a esta periodista- que esta es la primera vez en la Historia que para explicar procesos químicos no hay que irse a los libros, con asomarnos a la gigafactoría de Sagunt habrá suficiente, porque "allí toda la tecnología será cien por cien química".

Cuenta, con motivación, que "esta revolución energética de las baterías es en realidad una revolución de la química, que nunca había estado tan bien posicionada para cambiar la sociedad". Casi nada.

Y en esta 'sacudida' a la que está sometida la ciencia en la que se especializó, Gonzalo Abellán tiene una porción de historia. Con trabajo y horas de estudio hace tangible el sueño de la transferencia tecnológica, la meta de todo investigador.

Abellán es licenciado en química y especialista en nanotecnología y nanociencia. Es además investigador distinguido del plan Gen-T de la Generalitat Valenciana y ahora también impulsor de 2DMatch, una empresa emergente con un cometido: desarrollar y comercializar catalizadores para la producción de hidrógeno verde a bajo coste, a partir de materiales abundantes y de fácil disponibilidad, en línea con los objetivos estratégicos de la Unión Europea.

Trabaja codo con codo con Eugenio Coronado, catedrático de Química Inorgánica de la UV y director del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol), uno de los centros de investigación que el presidente del Gobierno Pedro Sánchez citó en Sagunt el día de la presentación de la gigafactoría.

También colaboran con Abellán, Toribio Fernández, fundador de CIDETEC -organización privada para la captación, generación y transferencia de tecnologías electroquímicas-, así como los investigadores del ICMol Jorge Romero y Álvaro Seijas.

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"Uno de los retos de ahora es producir hidrógeno verde en grandes cantidades de alta pureza, porque no tendría sentido que estuviéramos quemando carbón para producir hidrógeno, y eso hoy en día se hace", señala el científico. Es un matiz importante porque, recuerda, el hidrógeno "es verde cuando la energía que provee el electrolizador bebe de una fuente de energía renovable, como las placas solares o los molinos de viento".

El negocio del que forma parte Abellán surge tras años de investigación: en 2013, preparando su tesis doctoral, dio con el trabajo de dos universidades que habían publicado sendos estudios sobre materiales que él ya estudiaba hacía tiempo, "y que tenían unas propiedades para obtener hidrógeno increíbles".

En 2018, tras su estancia doctoral en Alemania, ya en València se pregunta por qué ninguna empresa comercializa dichos materiales. "La forma de sintetizarlos era fácil en el laboratorio, pero producir a gran escala era complejo porque a la gran industria no le compensaba". Y consiguieron patentarlo.

Este pasado 11 de mayo firmaron con la rectora de la Universitat de València, Mavi Mestre, el contrato de licencia de patente y el convenio de apoyo y reconocimiento como spin-off de su empresa 2DMatch, que tendrá su sede en el Parc Científic de la UV.

Ahora, ya como empresario, llevará al mercado materiales ("basados en metales abundantes y no geoestratégicos") para la electrocatálisis del agua y la obtención de hidrógeno renovable. Por la alta disponibilidad de estos los costes de producción se reducen, un aspecto importante en un tiempo nuevo para las energías renovables.

La Comunidad Valenciana tiene una Estrategia de Hidrógeno Verde desde el pasado enero, cuando se presentó públicamente, y está a punto de implementarse, según fuentes de la Conselleria de Economía. Entre sus ambiciosos objetivos, por ejemplo, que la industria cerámica -especialmente afectada por el alza de los precios del gas, del que tanto depende- pueda cubrir hasta el 20% de sus necesidades con este hidrógeno o el reto colectivo de conseguir una producción de 75.000 toneladas al año de hidrógeno verde a partir de energías renovables, el matiz que con acierto explicaba líneas arriba Gonzalo Abellán.

El plan de acción de la Estrategia valenciana parte de las necesidades de industrias estratégicas e intensivas en uso de gas, como es el caso de la cerámica.

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La estrategia buscará soluciones sostenibles para la industria portuaria, de la movilidad, del refino y la del tratamiento de aguas, entre otras. Son sectores cuyo impacto económico, cifra la Estrategia, se sitúa en los 128.000 millones de euros y dan empleo a cerca de 885.000 personas en la Comunidad Valenciana, por lo que encontrar soluciones en el contexto de la descarbonización es capital. La meta, reza el texto, es lograr evitar la emisión de 900.000 toneladas de CO2 a partir de 2030.

Para ello, la Estrategia Valenciana contempla medidas de acción, promoción, marco regulatorio y desarrollo tecnológico y enumera mecanismos de financiación existentes, como las ayudas en materia de investigación en innovación valencianas (de la AVI e IVACE, por ejemplo), así como otras de origen europeo o estatal. Pero también asume que será necesario "fomentar la colaboración público-privada" para que se consolide un ecosistema local entorno a este vector energético.

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Actualmente ya hay diversas iniciativas sobre el papel, como el proyecto H2 Verde Sagunto, que promueve ASECAM-Asociación empresarial del Camp de Morvedre y que está valorada entre 600 y 700 millones de euros para generar, almacenar y usar hidrógeno verde en el sector industrial de Sagunt.

También el Ajuntament de València y la UPV impulsan el proyecto València Valle de Hidrógeno para introducir el hidrógeno verde en el transporte del área metropolitana y el puerto de València con una inversión de 160 millones de euros. Hay más proyectos, liderados por Vectalia, en Alicante o BP en Castellón, quien recientemente firmó un acuerdo de colaboración con ASCER y la Asociación Nacional de Fabricantes de Fritas, Esmaltes y Colores Cerámicos para aunar esfuerzos en el proceso de descarbonización.

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Hidrógeno verde a bajo coste, la 'revolución energética' que impulsa una 'spin-off' valenciana

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Con pedagogía, y no sin cierta ilusión, el químico Gonzalo Abellán explica a sus familiares y amigos -y también a esta periodista- que esta es la primera vez en la Historia que para explicar procesos químicos no hay que irse a los libros, con asomarnos a la gigafactoría de Sagunt habrá suficiente, porque "allí toda la tecnología será cien por cien química".

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Descripción y aplicaciones de los nanotubos de carbono

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Descripción y aplicaciones de los nanotubos de carbono

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https://ciqa.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1025/410/1/Patricia%20Dinorah%20Perez%20Coronado.pdf

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¿En dónde se utiliza actualmente el hidrógeno como fuente de energía? 

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¿En dónde se utiliza actualmente el hidrógeno como fuente de energía? 

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Las energías renovables se definen como fuentes de energía limpias e inagotables, poseen mayor diversidad y abundancia, y no producen emisiones contaminantes. Representan no solamente un beneficio ambiental, sino que también social y económico. Actualmente, se cuenta con un gran número de fuentes de energías renovables, y se sigue en constante innovación, lo que representa un despliegue para una transición energética que contribuye a la descarbonización.

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Aprovechamiento de hidrógeno como fuente de energía mediante el diseño, construcción y adaptación de equipos y dispositivos.

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Aprovechamiento de hidrógeno como fuente de energía mediante el diseño, construcción y adaptación de equipos y dispositivos.

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http://repositorio.utn.edu.ec/bitstream/123456789/1321/1/05TESIS1301.pdf

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¿Como se aplican los nanotubos de carbono (NTCs) en el almacenamiento de energía?

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¿Como se aplican los nanotubos de carbono (NTCs) en el almacenamiento de energía?

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Fundamentos sobre el funcionamiento de los nanotubos de carbono en baterias de litio

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Fundamentos sobre el funcionamiento de los nanotubos de carbono en baterias de litio

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https://www.power-and-beyond.com/carbon-nanotubes-bring-huge-gains-in-battery-performance-a-977225/

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CARBON NANOTUBES Carbon nanotubes bring huge gains in battery performance

NAWA Technologies, a French energy storage specialist, has unveiled a new carbon nanotube-based battery electrode design that they claim brings huge gains in battery performance as the fastest of its kind.

Related Companies

Today, one of the biggest challenges in and limitations of battery power is the design and material used for the electrode. Existing electrodes have low electrical, thermal, and ionic conductivity, along with poor mechanical behavior when going through charging cycles. They can also suffer from degradation problems, such as dendrite formation in lithium-ion batteries, which can lead to safety and lifecycle issues.

Now, a French company claims that it has developed what it's calling an "ultra-fast electrode" which improves power by a factor of 10, energy storage by up to a factor of three, and lifecycle by up to a factor of five, all while reducing charge time down to a mere few minutes.

Vertically-Aligned Carbon Nanotube (VACNT) design

NAWA's new electrode, which is based on its patented Vertically-Aligned Carbon Nanotube (VACNT) IP, combines ionic conductivity with high electrical and thermal conductivity. This is enabled thanks to its 3D fully accessible nanostructure and arrangement of 100 billion nanotubes per square centimeter, all of which are aligned vertically.

With the total cost of electrodes accounting for almost 25 percent of total battery cost and the $35 billion value of today's lithium-ion battery market, NAWA believes that its new Ultra Fast Carbon Electrode could bring significant cost savings.

According to NAWA, the electrode is a universal system that's available as both a primer for existing electrodes - where the VACNT increases electrical conduction - and as a full 3D-electrode where it acts as a framework upon which lithium insertion material can be coated. At present, NAWA is developing different concepts of coatings with different chemistries and partners. By 2023, the company hopes that the technology will have entered production.

It also brings significant environmental advantages-the Ultra Fast Carbon Electrode is easily recyclable and eco-disposable at the end of its lifecycle, offering potential CO2 footprint reductions as high as 60 percent in applications.

A leap in performance for the automotive sector

While all batteries can benefit from the Ultra Fast Carbon Electrode, according to NAWA, the automotive industry could see huge gains in performance. With the industry now accounting for 75 percent of lithium-ion battery production and constantly demanding ever-improved metrics such as range, lifecycle, and charging time, NAWA sees it as a major target market.

NAWA says that an advanced lithium-ion battery using the Ultra Fast Carbon Electrode could double the kWh stored, meaning that Electric Vehicles (EVs) could draw on more power to travel further or faster, making ranges of 1,000 km or more commonplace in the mass market. Charging time could also be reduced dramatically to as little as five minutes for an 80 percent charge, all the while benefitting from an improved lifecycle by a factor of up to five.

NAWA's CEO, Ulrik Grape, said: "NAWA's Ultra Fast Carbon Electrode will allow us to charge batteries faster, go further and for longer - and all with a product based on one of the world's most abundant and green materials: carbon.

(ID:46972240)

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Carbon nanotubes bring huge gains in battery performance

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NAWA Technologies, a French energy storage specialist, has unveiled a new carbon nanotube-based battery electrode design that they claim brings huge gains in battery performance as the fastest of its kind. Related Companies Today, one of the biggest challenges in and limitations of battery power is the design and material used for the electrode.

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Baterías de litio con NTC y compuestos de titanio en desarrollo para automóviles

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Baterías de litio con NTC y compuestos de titanio en desarrollo para automóviles

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-24976-y

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There are three steps during the fabrication of coaxial CNTs@TiN-TiO ₂ sponge: (1) depositing TiN onto CNTs following the set recipe of ALD (see the Methods for the details) to obtain CNTs@TiN, (2) growing TiO ₂ layer on the outer surfaces of TiN, and (3) annealing the CNT hybrid to promote the uniform distribution of the TiN-TiO ₂ heterostructure, as illustrated in Fig. 1. The 3D porous CNT sponge is an ideal substrate for TiN-TiO ₂ deposition and characterization because of the large number and special tubular structure of multi-walled CNTs, which stack layer by layer to construct the sponge. Specifically, a large number of CNTs (acting as substrates) guarantee abundant material deposition, and the deposited TiN (or TiO ₂) can be identified readily from CNTs by transmission electron microscopy (TEM) without any complex pre-treatment in planar (or micrometer-scale) substrate-based samples, which is beneficial for the structural optimization. Moreover, numerous multi-walled CNTs within the CNT sponge interconnect with one another to provide free pathways for transporting electrons, which circumvents the electron-transport problem in thick powder-form electrodes and shows great advantage in improving the areal capacity of Li-S battery. Different from the commonly used method of loading solid sulfur as the active material, we dropped the lithium polysulfides solution to the CNTs@TiN-TiO ₂ sponge, letting polysulfides soak into the sponge and act as the initial active materials directly. This is mainly for two reasons: (1) solution infiltration is one of the most feasible strategies to load active materials into 3D sulfur hosts uniformly; (2) the matched polarity between TiO ₂ (or TiN) and polysulfides facilitates the efficient stabilization of active materials, which is critical for the cycling stability of Li-S battery. Benefiting from the integrated adsorption and catalytic ability of the TiN-TiO ₂ heterostructure, the loaded lithium polysulfides in the CNTs@TiN-TiO ₂ sponge are stabilized on the hybridized nanotubes first and then smoothly transferred to catalytic TiN to finish the conversion reaction to Li ₂S ₂/Li ₂S as shown in Fig. 1. According to the previous report, the transformation from Li ₂S ₂ to Li ₂S is intrinsically a slow solid-solid reaction process, which can also be accelerated by the catalytic TiN-TiO ₂ heterostructure, improving the utilization of sulfur species.

Through the ALD method, TiN and TiO ₂ are deposited sequentially on the CNTs surface, and then the obtained hybrid is annealed to be transformed into the coaxial CNTs@TiN-TiO ₂ sponge with uniform distribution of the TiN-TiO ₂ heterostructure. With the help of the TiN-TiO ₂ heterostructure, the conversion process from lithium polysulfides to Li ₂S ₂/Li ₂ S occurs smoothly in two steps of adsorption and catalytic conversion.

Optimization of the TiN-TiO₂ heterostructure

Attributed to the atomic-scale deposition and intrinsic conformity of ALD, the TiN content can be readily controlled by the deposited thickness on CNTs. Through controlling the deposition cycles, three CNT hybrids with different TiN thicknesses (5, 10, and 20 nm) are fabricated and denoted as CNTs@TiN-5, CNTs@TiN-10, and CNTs@TiN-20. From the TEM results (Fig. S1), the morphology of the CNTs@TiN hybrids, especially the interface between TiN and CNTs is greatly influenced by the deposited TiN thickness. Deposition of a 5 nm-thick TiN layer on the CNT surface can be clearly identified by the low magnification TEM image (Fig. S1a), however, loose deposition on the surface of CNT with some discrete regions (Fig. S1b) is observed under high magnification condition. As the deposited thickness of TiN increases to 10 and 20 nm, the interfaces between CNTs and TiN become continuous and smooth (Fig. S1c-f). This morphology change is mainly attributed to the uneven surfaces of multi-walled CNTs, which impede the atomic deposition of TiN at some defective places, resulting in holes and bumps. To evaluate the electrochemical properties of these three hybrids, the Li-S cells applying them as sulfur hosts are assembled and tested. Although the battery based on CNTs@TiN-5 exhibits the highest specific capacity (about 1300 mAh g −1) in the first five cycles among three samples (Fig. S2), CNTs@TiN-10 possesses the best cycling stability with over 1000 mAh g −1 after 100 cycles, which is higher than 762 and 712 mAh g −1 of CNTs@TiN-5 and CNTs@TiN-20, respectively. By virtue of this cycling stability, it can be concluded that CNTs@TiN-10 with a continuous TiN layer is the optimized structure for the sulfur host. Although CNTs@TiN-20 has a morphology similar to that of CNTs@TiN-10, the electric conductivity measurement results show that the former has worse conductivity for electrons (Table S1), which substantially limits the electron transport and hinders the efficient utilization of polysulfides, resulting in lower specific capacity and inferior cyclic stability. In parallel, the loose and unstable structure of CNTs@TiN-5 is likely to be damaged during the repeated chemical reaction process, causing a fast capacity fading.

Based on the above results, CNTs@TiN-10 is regarded as the optimized structure, hence it is applied as the new substrate for TiO ₂ deposition. Similarly, 5 nm of TiO ₂ is grown on the surface of CNTs@TiN-10 by the ALD method to fabricate the coaxial hybrid of CNTs@TiN@TiO ₂. As shown in Fig. S3a, the inner TiN can be readily distinguished from the outer TiO ₂ layer of this hybrid because TiN is much coarser and looser than TiO ₂. However, the Li-S battery performance result shows that the deposited TiO ₂ around the CNTs@TiN severely deteriorates the battery electrochemical performance, especially for the cyclic stability (Fig. S3b). The dense TiO ₂ layer probably blocks the diffusion of polysulfides to TiN and electron transport, which hinders the catalytic conversion of polysulfides to Li ₂S ₂/Li ₂S. In addition, the hybrids directly obtained from the ALD exhibit low crystallinity. From Fig. S4, only one strong peak at around 26° belonging to CNTs is detected in the XRD pattern of CNTs@TiN (10 nm) and CNTs@TiO ₂ (5 nm). Annealing is one of the most efficient post-treatment methods to improve the crystallinity and structures of the materials. To promote the favorable distribution of TiN and TiO ₂, CNTs@TiN@TiO ₂ is annealed within dry N ₂ gas atmosphere. The TEM image shows that the TiN and TiO ₂ layers are mixed to form one integrated layer coated on the CNTs after annealing (Fig. 2) without new crystalline compound formation, which is verified by the XRD pattern of the annealed product (Fig. S5). The amorphous baseline in this XRD result is attributed to the amorphous carbon of the CNT sponge. The main distribution of carbon in the inner part from the corresponding EDX mapping images confirms that CNTs are applied as the original substrate for TiN and TiO ₂ deposition. Interestingly, the elements of titanium, nitrogen, and oxygen wrapping around the CNTs are uniformly presented. It indicates that the annealed outer layer corresponds to a mixture of TiN and TiO ₂, which is consistent with the TEM results. From the high-resolution TEM picture (Fig. 2), the lattice fringes with the spacings of 0.244 and 0.324 nm are indexed to (111) lattice plane of TiN and (110) plane of TiO ₂, respectively. Besides, the TiN-TiO ₂ heterostructure possesses a continuous and atomically matched interface, which is beneficial for the smooth reaction process of polysulfide adsorption, diffusion, and catalytic conversion. For the sake of concise description, the annealed CNTs@TiN@TiO ₂ with TiN-TiO ₂ heterostructure is named as CNTs@TiN-TiO ₂-5, of which the number stands for the thickness of the deposited TiO ₂. Because of the intrinsic conformity of the ALD method, all TiN-TiO ₂ layers are uniformly grown around the outer surface of CNTs, and the hybridized CNTs@TiN-TiO ₂-5 sponge retains its porosity and 3D structure, which is beneficial for high sulfur loadings and efficient electrolyte permeation (Fig. S6). To further optimize the annealed TiN-TiO ₂ heterostructure, two more different thicknesses of TiO ₂ (2 and 10 nm) are deposited and annealed, which are denoted as CNTs@TiN-TiO ₂-2 and CNTs@TiN-TiO ₂-10. Being similar to the CNTs@TiN-TiO ₂-5, CNTs@TiN-TiO ₂-2 has an integrated TiN-TiO ₂ heterostructure layer on the surface of CNTs (Fig. S6). However, a discontinuous and irregular boundary appears in the outer layer of the CNTs@TiN-TiO ₂-10 (Fig. S7). Therefore, it can be concluded that the deposited TiO ₂ thickness (i.e., TiO ₂ content) is an important parameter to influence the TiN-TiO ₂ heterostructure.

a TEM image of CNTs@TiN-TiO ₂-5 showing the integrated TiN-TiO ₂ heterostructure coated on the CNT surface. b TEM and corresponding elemental mappings of C, O, N, and Ti in CNTs@TiN-TiO ₂-5 showing the mixed and uniform distribution of TiN-TiO ₂ heterostructure. c High-resolution TEM of CNTs@TiN-TiO ₂-5 showing the well-matched interface of the TiN-TiO ₂ heterostructure. Source data are provided as a Source Data file.

Lithium polysulfide adsorption

The catalytic conversion process of lithium polysulfides includes two critical steps of the adsorption and catalytic reaction. To evaluate the adsorption ability of CNTs@TiN-TiO ₂-2, CNTs@TiN-TiO ₂-5, and CNTs@TiN-TiO ₂-10, these three hybrids are dropped into the Li ₂S ₆ solution (0.005 M) and kept overnight (Fig. 3a). The visual test result shows that the sequence of the Li ₂S ₆ adsorption ability is TiO ₂ > TiN > CNTs, which is consistent with the previous results. Besides, with the increase of TiO ₂ content, the polysulfide adsorption ability of the CNT hybrid increases gradually. When the deposited TiO ₂ thickness is 5 nm, the color of the Li ₂S ₆ solution becomes transparent. However, in the Li ₂S ₆ solution with CNTs@TiN-TiO ₂-2, there are still some Li ₂S ₆ residues, which illustrates the limited Li ₂S ₆ adsorption ability of CNTs@TiN-TiO ₂-2 and the importance of the TiO ₂ content optimization (Fig. 3a). There are two main types of adsorption between the host materials and lithium polysulfides, physical adsorption and chemical adsorption. The physical adsorption is closely correlated with the porosity (i.e., specific surface area, pore size, and pore volume) of the materials. From the BET results (Fig. S8 and Table S2), it can be concluded that the values of both specific surface area and mesopore volume increase with the increase of the deposited TiO ₂ amount, which is beneficial for the adsorption of lithium polysulfides. However, because the strength of physical adsorption is always too weak to stabilize polysulfides efficiently, relatively strong chemical interaction in the chemical adsorption has the advantage to trap lithium polysulfides, facilitating the subsequent catalytic conversion reaction. To determine the interaction between the TiN-TiO ₂ heterostructure and lithium polysulfides, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements of CNTs@TiN-TiO ₂-5 before and after adsorption are conducted. Because of the immersion in Li ₂S ₆-contained traditional ether-based electrolyte, there is the appearance of new peaks of fluorine, sulfur, and lithium after adsorption (Fig. S9). As shown in Fig. 3b, the two spin-orbit splitting peaks of Ti 2 p (Ti 2 p 1/2 at 465 eV and Ti 2 p 3/2 at 459.4 eV) shift to the positions with lower binding energy (Ti 2 p 1/2 at 464.6 eV and Ti 2 p 3/2 at 458.9 eV) after Li ₂S ₆ adsorption, which indicates the chemical interactions between Li ₂S ₆ and TiN-TiO ₂ heterostructure. Because of the stronger negativity of sulfur species than Ti, Ti 2 p tends to accept electrons from polysulfides, resulting in a lower binding energy. The formation of the new peaks of Li ₃N and N-S in N 1 s core-level region further demonstrates the chemical bonding of lithium polysulfides with the TiN-TiO ₂ heterostructure (Fig. 3c).

a Comparison of polysulfide adsorption ability of CNTs@TiN-TiO ₂-2, CNTs@TiN-TiO ₂-5, and CNTs@TiN-TiO ₂-10 by immersing these hybrids into the Li ₂S ₆ solution (0.005 M). XPS spectra of b Ti 2 p and c N 1 s in CNTs@TiN-TiO ₂-5 before and after polysulfide adsorption. Source data are provided as a Source Data file.

Catalytic ability

A symmetric cell without the consideration of a lithium metal anode is a common configuration to evaluate the electrochemical kinetics (including the catalytic ability) of sulfur host materials. Utilizing the same material as both the cathode and anode, the symmetric cells of CNTs@TiN-TiO ₂-2, CNTs@TiN-TiO ₂-5 and CNTs@TiN-TiO ₂-10 are assembled and tested by the cyclic voltammetry (CV) method at a scanning speed of 2 mV s −¹. Figure S10 shows that there is not any redox peak when the electrolyte without Li ₂S ₆ is applied in the symmetric cells, which indicates that only Li ₂S ₆ is the active material to carry out the redox reactions in the testing system, excluding the influence from the commonly used ether-based electrolyte. After Li ₂S ₆ is added into the electrolyte, two pairs of redox peaks appear as shown in Fig. S10. Specifically, two anodic peaks correspond to the oxidation of Li ₂S ₂/Li ₂S to lithium polysulfides and further to elemental sulfur (S ₈), and two cathodic peaks are assigned to the reverse reaction process (the reduction of S ₈ to polysulfides and further to Li ₂S ₂/Li ₂S). In CNTs@TiN-TiO ₂-5, these peaks exhibit narrow shapes and their separation is small, illustrating the enhanced lithium polysulfides conversion catalyzed by the TiN-TiO ₂ heterostructure. In contrast, CNTs@TiN-TiO ₂-2 shows broader and wider redox peaks, suggesting the inferior catalytic capability due to the limited adsorption ability for lithium polysulfides. For CNTs@TiN-TiO ₂-10, not only the peaks are severely broadened and widened, but the current intensity is also greatly decreased, indicating the weak catalytic activity of the TiN-TiO ₂ heterostructure with irregular boundaries. These unfavorable defects hinder the diffusion of the polysulfides and therefore deteriorate the catalytic ability. Besides, the inferior electric conductivity induced by the increased TiO ₂ content limits the efficient utilization of lithium polysulfides. It is worth noting that Li ₂S growth is a critical step in the lithium polysulfide conversion process. To investigate the kinetics of Li ₂S precipitation (or growth), the coin cells applying Li ₂S ₈ solution as the electrolyte are first galvanostatically discharged to 2.06 V and then potentiostatically discharged at 2.05 V until the current is lower than 10 −5 mA. The precipitation current and capacity can be calculated based on the potentiostat discharge curves as shown in Fig. 4 (see the Experimental section for the details). CNTs@TiN-TiO ₂-5 exhibits the highest current (0.2 mA) and capacity (328 mAh g −¹) for Li ₂S precipitation compared to CNTs@TiN-TiO ₂-2 (0.15 mA, 250 mAh g −¹) and CNTs@TiN-TiO ₂-10 (0.75 mA, 153 mAh g −1). These results reveal that the CNTs@TiN-TiO ₂-5 possesses the best capability to accelerate the polysulfides conversion reaction (including the Li ₂ S precipitation) and promote the efficient utilization of lithium polysulfides.

Potentiostatic discharge curves of a CNTs@TiN-TiO ₂-2, b CNTs@TiN-TiO ₂-5, and c CNTs@TiN-TiO ₂-10 at 2.05 V. Source data are provided as a Source Data file.

Li-S battery performance

The electrochemical measurements show that the Li-S battery applying CNTs@TiN-TiO ₂-5 as the sulfur host exhibits the best electrochemical performance including the specific capacity, rate capability, and cyclic stability. From the CV results (the scan rate is 0.1 mV s −1) in Fig. 5a, there are two cathodic peaks during the discharge process, corresponding to the reduction of sulfur to lithium polysulfides at higher voltage and the formation of Li ₂S ₂/Li ₂S at a lower voltage, respectively. Besides, two overlapped anodic peaks during the charging process stand for the oxidation of Li ₂S ₂/Li ₂S to lithium polysulfides and elemental sulfur. In CV curves, the separation between the corresponding cathodic and anodic peaks represents the polarization, which is correlated to the electrochemical kinetics of batteries. Theoretically, the smaller polarization reflects better electrochemical kinetics. It can be clearly observed in Fig. 5a that CNTs@TiN-TiO ₂-5 has the sharpest CV peaks, highest current intensity, and smallest polarization in comparison with CNTs@TiN-TiO ₂-2 and CNTs@TiN-TiO ₂-10. Furthermore, CNTs@TiN-TiO ₂-5 exhibits the highest discharge capacity (Fig. 5b). In the galvanostatic charge/discharge curves, the plateaus in discharge and charge curves are attributed to the reduction and oxidation reaction processes of Li-S batteries, which agrees well with the redox peaks in CV curves (Fig. 5b). Similarly, the gap between the discharge and charge curves also stands for the polarization, of which CNTs@TiN-TiO ₂-5 is the smallest among these three hybrids. Charge transfer resistance is an important indicator for the charge (e.g., electrons and lithium ions) transport during the battery working process. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results show that CNTs@TiN-TiO ₂-5 has the smallest semicircle diameter, which corresponds to the best charge transfer capability and reveals the favorable electrochemical conversion reaction in Li-S battery with CNTs@TiN-TiO ₂-5 as the sulfur host (Fig. 5c). For CNTs@TiN-TiO ₂-10, there are two semicircles with largely increased resistance, which illustrates that the irregular boundary in the hybrid of CNTs@TiN-TiO ₂-10 can severely limit the charge transport and the lithium polysulfide conversion reaction. Benefiting from the favorable electrochemical kinetics, CNTs@TiN-TiO ₂-5 exhibits excellent rate performance. As shown in Fig. 5d, the specific capacities of CNTs@TiN-TiO ₂-5 at the current density of 0.1, 0.5, 1, 2, and 5 C are 1350, 1250, 1000, 900, and 800 mAh g −1, respectively. These values are much higher than that of CNTs@TiN-TiO ₂-2 and CNTs@TiN-TiO ₂-10. In addition, CNTs@TiN-TiO ₂-5 possesses the smallest polarization, and the change of the polarization value exhibits the gentlest increasing trend with the increase of the C-rate when compared to the other two hybrids of CNTs@TiN-TiO ₂-2 and CNTs@TiN-TiO ₂-10. It further verifies that the CNTs@TiN-TiO ₂-5 is an ideal host material to promote the polysulfides conversion and improve the electrochemical performance of Li-S batteries.

a CV curves at the scan rate of 0.1 mV s −1, b galvanostatic charge and discharge curves, c EIS curves, and d rate performance from 0.1 to 5 C of CNTs@TiN-TiO ₂-5, CNTs@TiN-TiO ₂-2, and CNTs@TiN-TiO ₂-10. Source data are provided as a Source Data file.

Furthermore, the cycling performance of the Li-S batteries is measured and compared. From Fig. 6, the initial specific capacities of CNTs@TiN-TiO ₂-2, CNTs@TiN-TiO ₂-5 and CNTs@TiN-TiO ₂-10 at the C-rate of 0.2 C are 1271, 1431, and 1125 mAh g −1, respectively. After 100 cycles, the capacity of 1330 mAh g −¹ is achieved for CNTs@TiN-TiO ₂-5. In contrast, only 1021 mAh g −1 for CNTs@TiN-TiO ₂-2 and 773 mAh g −1 for CNTs@TiN-TiO ₂-10 are retained. As the current density increases to 1 C and 2 C, the capacity fading rates are kept at 0.0056% and 0.031% per cycle after 220 and 500 cycles, respectively, which are competitive values for the cyclic performance of Li-S battery compared to other related works (Table S3). Attributed to the 3D structure, the areal sulfur loading of CNTs@TiN-TiO ₂−5 can reach up to 15 mg cm −2. Therefore, its highest corresponding areal capacity at 0.2 C is 21.5 mAh cm −², which is much higher than the related works focusing on Li-S battery with high areal capacity. Even at 1 C and 2 C, the highest areal capacity of 19.3 and 12.2 mAh cm −2 can be obtained (Figs. S11 and S12). The initial capacity increase during the cycling is possibly due to the activation of high-loading materials under the increased C-rate condition. Correspondingly, the energy density based on the whole device is about 269.05 Wh/kg at the C-rate of 0.2 C, which is comparable to the previous works calculated on the whole deive.

a Cyclic stability comparison of CNTs@TiN-TiO ₂-2, CNTs@TiN-TiO ₂-5 and CNTs@TiN-TiO ₂-10 after 100 cycles at 0.2 C. b Long-term cycling performance of CNTs@TiN-TiO ₂-5 at 1 C. Source data are provided as a Source Data file.

In summary, we developed a 3D coaxial CNT hybrid coated with a TiN-TiO ₂ heterostructure by the ALD method combining with post-annealing. Through optimizing the deposited TiO ₂ thickness, the ideal heterostructure with the continuous interface can be obtained, which facilitates the smooth process of lithium polysulfide adsorption, diffusion, and catalytic conversion. As a result, the rate performance and cyclic stability of Li-S batteries are enhanced. Furthermore, attributed to the high sulfur loading of the 3D inter-connective network, high areal capacity can be achieved simultaneously. Our strategy might be extended to the optimization of other coaxial/layer-by-layer heterostructures and promote the formation of continuous and well-matched interfaces with promising applications in energy storage and catalysis.

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Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO2 sponge - Nature Communications

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Rational design of heterostructures opens up new opportunities as an ideal catalyst system for lithium polysulfides conversion in lithium-sulfur battery. However, its traditional fabrication process is complex, which makes it difficult to reasonably control the content and distribution of each component.

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Hidrógeno como combustible, retos a superar, procesos de obtención y mercadeo.

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¿Que ventajas tienen las baterías de sodio sobre las de litio?

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¿Que ventajas tienen las baterías de sodio sobre las de litio?

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https://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/baterias-sodio-ganan-partida-litio-razones/20211209111247052093.html

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El sodio es un material que se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible, lo que lo convierte en un gran candidato para el almacenamiento de energía a gran escala. Es el sexto elemento más abundante en la tierra: es ilimitado y sostenible ya que se cosecha, no se extrae. Sin embargo, las baterías de sodio no tienen tanta energía como las baterías de litio y también dan problemas de degradación a la hora de cargarse y descargarse. ¿Es el sodio realmente un candidato a reemplazar al litio como componente principal de las baterías?

Hace dos décadas, la posibilidad de desplazarse a bordo de un vehículo eléctrico estaba reservada únicamente a las películas de ciencia ficción. Sin embargo, en 2021, la situación es completamente diferente. Y una de las grandes responsables de ello son las baterías de iones de litio que son las que se emplean hoy en día de manera predominante como acumuladores de energía en los vehículos eléctricos. Sin embargo, ya se busca una tecnología que la sustituya, y el sodio tiene algunas papeletas ganadoras para lograrlo.

Las baterías de iones de litio se utilizan hoy en día en la práctica totalidad de las aplicaciones móviles, como teléfonos, ordenadores portátiles o vehículos eléctricos. Su ventaja está en la densidad de energía que ofrecen, que se traduce en más autonomía, por encima de la longevidad o la estabilidad de sus componentes. Su mayor inconveniente es que los materiales de los que se componen, como el cobalto y el litio, son escasos y caros. A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos y de las instalaciones estacionarias de almacenamiento de electricidad, estos materiales se harán más difíciles de obtener y posiblemente elevarán su precio. Esto provoca que su coste de producción sea elevado lo que se une a otro inconveniente esencial: son inestables a altas temperaturas.

El sodio es uno de los materiales más abundantes en la naturaleza.

Mientras que los fabricantes de baterías y los de automóviles están buscando materiales con los que lograr baterías más eficientes, que ofrezcan mayor densidad energética y por lo tanto mayor autonomía, el sodio está tomando cierto protagonismo. En la tabla periódica, litio y sodio son vecinos, lo que significa que ofrecen propiedades similares y ambos pueden usarse para la fabricación de celdas de baterías.

Pero además, las baterías de iones de sodio ofrecen algunas ventajas cruciales para fabricantes y propietarios de vehículos eléctricos: la sostenibilidad de la obtención de las materias primas, la asequibilidad y la mayor seguridad. A cambio, ofrecen un inconveniente a tener en cuenta: su menor densidad de energía, aunque es probable que esta característica mejore en los próximos años.

Esta es la razón por la que las investigaciones están explorando la posibilidad de utilizar baterías de iones de sodio en los vehículos eléctricos, en lugar de las tradicionales baterías de iones de litio. Estas son las cuatro razones clave por las que pueden convertirse en una alternativa muy adecuada.

Disponibilidad. Mientras el litio es escaso en todo el mundo y se concentra en algunas regiones específicas, el sodio es un elemento común disponible en cantidades abundantes por todo el planeta. Generalmente se extrae de la carbonato de sodio y se puede encontrar en cualquier lugar, incluso en el agua del mar. Es el séptimo material más abundante en el mundo y, en comparación con el litio, su disponibilidad es 1.200 veces mayor.

Accesibilidad. Su abundancia hace que sea un material mucho más económico que el litio y además cuesta menos de extraer y purificar. Mientras que las baterías de iones de litio requieren cobalto, cuya reserva es limitada y distribuida de manera desigual en todo el mundo, las celdas de batería de iones de sodio se pueden fabricar con abundantes metales como hierro y manganeso. El cobalto es muy caro de obtener y es la parte más cara de las baterías de los vehículos eléctricos. Por otro lado, las baterías de iones de sodio se pueden construir utilizando las mismas líneas de producción que las de litio, por lo que el cambio no supondría una inversión importante, ya que no requerirá un rediseño de las instalaciones.

Las baterías de sodio son una de las tecnologías que pueden suceder a las de litio.

Seguridad. Las baterías de iones de sodio ofrecen un mejor rendimiento y pueden funcionar en un rango de temperatura más amplio, siendo mucho más eficiente que las de litio en ambientes fríos. Otra ventaja es que no son inflamables lo que evita que se provoque la fuga térmica que puede acabar en el incendio de la batería. Esto también permite que los fabricantes puedan transportar las baterías de sodio desde el lugar de producción hasta el de ensamblaje sin riesgo, con los terminales de la batería conectados y el voltaje en cero.

Ligereza. Las baterías de iones de sodio son más livianas que las de litio. Esto significa que los vehículos eléctricos que las implementen serán también más ligeros, lo que les permitirá un consumo eléctrico menor, lo que repercute directamente sobre la autonomía final.

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Las baterías de sodio le ganan la partida a las de litio: estas son las razones

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El sodio es un material que se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible, lo que lo convierte en un gran candidato para el almacenamiento de energía a gran escala.

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Funcionamiento y fundamentos de las baterías de sodio, ventajas y retos

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Funcionamiento y fundamentos de las baterías de sodio, ventajas y retos

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Noticia sobre el problema energético mundial

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Noticia sobre el problema energético mundial

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La mitad del CO ₂ emitido tarda un siglo para eliminarse de la atmósfera, mientras que una parte de éste (cerca del 20 %) se mantiene durante muchos milenios

Por Juan Antonio Pinilla Rodríguez

El mundo se encuentra en una difícil situación energética: por una parte, existe cada vez mayor demanda de energía y, por otra, las actuales fuentes tienen en su mayoría recursos limitados y su uso representa repercusiones ambientales indeseables. El crecimiento demográfico y económico en el mundo trae consigo que consumamos más energía, y las formas tradicionales en que la generamos, en su mayoría a través de los combustibles fósiles, nos da como resultado importantes efectos (globalmente negativos) sobre el bienestar humano.

Los recursos naturales de nuestro planeta se usan a un ritmo acelerado, y si no se toman medidas al respecto, las condiciones de vida de los que vengan después que nosotros serán mucho peor a las que tenemos hoy en día.

El principio de sostenibilidad es: satisfacer las necesidades de las generaciones presentes, sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades; esto se dijo hace unos años en Principio 3º de la Declaración de Río (1992), del Informe Brundtland (1987), Comisión Mundial del Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas, de la Asamblea de las Naciones Unidas.

¿Tenemos un problema?
Desde la llamada Revolución Industrial hasta nuestros días, los procesos industriales se desarrollan quemando combustibles fósiles (petróleo, gas y sus derivados, como la gasolina y el diésel) y aprovechando de manera desmedida los recursos naturales de nuestro planeta. Estas actividades están cambiando la composición de la atmósfera terrestre, emitiendo más gases y compuestos de efecto invernadero que pueden permanecer en la atmósfera hasta por más de 50 años. Si bien en la actualidad más de la mitad del CO ₂ emitido tarda un siglo para eliminarse de la atmósfera, una parte del CO ₂ (cerca del 20 por ciento) se mantiene en la atmósfera durante muchos milenios.

En los últimos 800 mil años, las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso han aumentado a niveles sin precedente. Las concentraciones de dióxido de carbono se han elevado en un 40 por ciento desde la era preindustrial debido, en primer lugar, a las emisiones derivadas de los combustibles fósiles y, en segundo lugar, a las emisiones netas derivadas del cambio de uso del suelo. Los océanos han absorbido alrededor del 30 por ciento del dióxido de carbono antropogénico, provocando su acidificación.

Implementar acciones urgentes sobre el cambio climático es crítico para reducir su impacto. El Acuerdo de París establece un objetivo para limitar el aumento de la temperatura media global a muy por debajo de 2 °C por encima de los niveles preindustriales e intentar limitar el aumento a 1.5 °C. Implícito en estos objetivos está la necesidad de una transición a un sector energético bajo en carbono, que represente dos tercios de las emisiones globales.

La demanda mundial de energía todavía se satisface esencialmente con combustibles fósiles (30 por ciento de petróleo, 27 por ciento de carbón y 20 por ciento de gas).

Las principales fuentes de producción de electricidad son a través del carbón (38 por ciento), gas (23 por ciento) e hidroeléctrica (16 por ciento). Las emisiones de CO ₂ en el sector energético, después de permanecer estáticas durante tres años, aumentaron en 2017 y se espera un mayor crecimiento en los próximos años. El principal desafío que enfrenta el sector energético es crear un sistema que combine asequibilidad, confiabilidad y sostenibilidad.

Los cambios estructurales fundamentales en el sector energético, llamados transiciones de energía, ocurren en todo el mundo. La motivación, los objetivos y las prioridades para implementar las transiciones de energía difieren, pero en su mayoría podrían estar relacionados con el trilema de la energía: asegurar el suministro, aumentar la competitividad mediante el uso de enfoques de menor costo y las preocupaciones ambientales, o una combinación de estos aspectos.

La demanda mundial de energía aumentará al menos en un cuarto entre hoy y 2040, principalmente en los países en vías de desarrollo, con India a la cabeza. Los niveles más altos de consumo se desplazarán en Asia, que será responsable de aproximadamente la mitad del crecimiento del gas, el 60 por ciento de la energía eólica y solar, más del 80 por ciento del petróleo y todo el crecimiento del carbón y la energía nuclear.

La eficiencia energética será crucial para mantener bajos los niveles de consumo, que de otro modo aumentarían para duplicar la cantidad estimada. La revolución del gas de esquisto continúa, liderada por EE.UU., el principal productor de petróleo y gas del mundo.

La demanda de gas natural está creciendo más en la industria y en 2030 superará al carbón para convertirse en el segundo combustible más grande en la combinación energética. La demanda de petróleo continuará creciendo como resultado de su uso en la industria petroquímica. Sin embargo, su empleo en automóviles alcanzará su punto máximo alrededor de 2025. El mercado petrolero está entrando en un periodo de alta incertidumbre y sin nuevos proyectos podría surgir una escasez en el suministro.

Resultados de producir energía con hidrocarburos
Con la invención de la máquina de vapor por James Watt, a finales del siglo XVII, se produjo el despegue tecnológico definitivo en todo el mundo. Con este acontecimiento la vida de las personas empezó a cambiar a un ritmo acelerado, marcado por los continuos avances tecnológicos y la progresiva sustitución de las fuentes de energía primaria. Trayectoria que ha desembocado en una casi absoluta dependencia de los hidrocarburos (carbón, petróleo y gas natural) hasta nuestros días.

La mayoría conoce los resultados de producir energía con hidrocarburos, pero a continuación mencionamos algunos:

El deterioro ambiental cada vez más notorio

Efecto invernadero debido a la emisión de los gases

Aumento de la temperatura en todo el globo terráqueo

Acidificación de los océanos

Aumento del nivel del mar por la descongelación de los glaciares y los fenómenos meteorológicos extremos

Pérdidas de biodiversidad

En estos momentos no existe una fuente de energía capaz de sustituir a todos los hidrocarburos para satisfacer la demanda actual de energía, lo que sí existe es la disponibilidad de diversas combinaciones de fuentes renovables de energía en diferentes ecosistemas que empiezan a suplir a los hidrocarburos.

La energía suficiente y segura es el principal facilitador para el bienestar y el desarrollo económico de una sociedad. Como las actividades relacionadas con la generación de energía tienen impactos ambientales significativos, es indispensable proporcionar un sistema energético que cubra las necesidades de las economías y preserve el medio ambiente.

Trazando el camino hacia la transición energética
La transición energética es un camino hacia la transformación del sector energético mundial de fósiles a cero carbón en la segunda mitad de este siglo. En el fondo está la necesidad de reducir las emisiones de CO ₂ relacionadas con la energía para limitar el cambio climático. La descarbonización del sector energético requiere una acción urgente a escala mundial, y mientras una transición energética global está en marcha, se necesitan más acciones para reducir las emisiones de carbono y mitigar los efectos del cambio climático. La energía renovable y las medidas de eficiencia energética pueden alcanzar el 90 por ciento de las reducciones de carbono requeridas.

La transición energética es el abandono del petróleo, el carbón, el gas como fuentes de energía y su sustitución por energías renovables. Esto no es una tarea fácil, debido a que estamos obligados a asegurar un abastecimiento energético asequible, de bajo impacto ambiental y confiable.

Las energías renovables más económicas son la eólica y la solar. Gracias al desarrollo industrial y tecnológico de los últimos 20 años, los costos reales de generación se han reducido en forma significativa. Ineludiblemente se necesita el aseguramiento energético que provea electricidad en los momentos en que no haya suficiente viento, ni sol. Por lo tanto, estas funciones serán asumidas por otras fuentes de energía renovables (hidráulica, biomasa, geotermia) y sistemas de almacenamiento de energía.

La transición energética es la respuesta a dos desafíos:

Los recursos fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas, son cada vez más escasos

El cambio climático amenaza a nuestro planeta

La fuerza invisible
La demanda de electricidad continúa creciendo muy rápidamente. Este incremento proviene principalmente de los países en vías de desarrollo, aunque sigue ascendiendo en las economías más avanzadas. El mayor aumento se produce en las energías renovables, gracias a la caída de los costos y las políticas de apoyo: la generación de energía a partir de las energías renovables en la combinación de electricidad pasará del 25 por ciento actual al 40 por ciento en 2040, reemplazando el carbón.

Con el aumento de las fuentes renovables de electricidad, garantizar la flexibilidad del sistema de energía continúa siendo una prioridad para compensar las grandes fluctuaciones en el suministro. En las fuentes renovables de energía, su régimen de funcionamiento depende exclusivamente de las condiciones meteorológicas existentes en cada emplazamiento, lo que implica incertidumbre en la predicción de la producción. Hasta hoy el sistema eléctrico mundial está diseñado bajo el modelo de grandes centrales de generación de electricidad. Las fuentes renovables ofrecen la posibilidad de la generación de electricidad distribuida con beneficios económicos, sociales y ambientales.

Más tecnología para descarbonizar
En los últimos años el mundo ha logrado avances alentadores en el desarrollo en energías renovables, particularmente para la generación de electricidad. Las tecnologías utilizadas para producir electricidad hoy pueden, en muchos casos, proporcionarla a precios competitivos en comparación con aquellas que recurren a combustibles fósiles. Los sistemas eléctricos en todo el mundo están diseñados bajo el modelo de grandes centrales de generación de electricidad, donde una solución alternativa es a través de la generación distribuida.

Las fuentes renovables ofrecen la posibilidad de la generación de electricidad distribuida con beneficios económicos, sociales y ambientales. El almacenamiento de energía avanza de la mano con el desarrollo de fuentes de energías renovables, tiene una posibilidad de funciones más allá de actuar como fuente de energía de respaldo y es la tecnología clave para permitir altas concentraciones renovables en redes eléctricas de grandes parques eólicos y solares concentrados, o en la generación de energía distribuida a pequeña escala en todo el mundo.

Las tecnologías para la generación de energía a través de fuentes renovables, como se ha analizado anteriormente, requieren de inversiones en investigación y desarrollo que permitan mejorar los procesos actuales. Si se hace correctamente, estas tecnologías podrían llegar a ser más competitivas que en los mercados eléctricos hoy en día.

La energía renovable y la eficiencia energética deben promoverse y acelerarse en conjunto para garantizar que la transición a la energía sostenible no se vea limitada por el crecimiento demográfico y económico en el mundo. Con esto se contribuye en gran medida a la descarbonización requerida para permanecer dentro de los límites que establece el Acuerdo de París.

Las innovaciones en energía renovable abarcan todos los enfoques nuevos que ayudan a superar las barreras y dan como resultado un despliegue acelerado de energías renovables para apoyar la transición energética. Las soluciones innovadoras para descarbonizar el sector energético global requieren la combinación de varios instrumentos de política en todo el ciclo de vida de la tecnología, desde investigación y desarrollo, hasta la ampliación del mercado, así como el avance de nuevas tecnologías inteligentes, tecnologías de la información, nuevos tipos de instrumentos financieros y de mercado, modelos de negocio y la participación de nuevos actores en los sistemas energéticos.
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Juan Antonio Pinilla Rodríguez
Industrial de la construcción, académico, presidente del Colegio de Ingenieros Mecánicos, Electricistas y Electrónicos del estado de Veracruz, vicepresidente del Consejo Coordinador Empresarial, CANACINTRA y CMIC. Director de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Cristóbal Colón. Consejero editorial a nivel nacional de la revista Eficiencia Energética del Fideicomiso para el Ahorro de Energía (FIDE).

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El problema energético mundial. Energías renovables y cambio climático - Revista Energy Management

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La mitad del CO 2 emitido tarda un siglo para eliminarse de la atmósfera, mientras que una parte de éste (cerca del 20 %) se mantiene durante muchos milenios Por Juan Antonio Pinilla Rodríguez El mundo se encuentra en una difícil situación energética: por una parte, existe cada vez mayor demanda de energía y, por otra, las actuales fuentes tienen en su mayoría recursos limitados y su uso representa repercusiones ambientales indeseables.

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En que se pueden aplicar éste tipo de baterías?

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En que se pueden aplicar éste tipo de baterías?

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https://www.orfonline.org/expert-speak/is-sodium-the-future-for-the-electric-mobility-transition/

https://forococheselectricos.com/2022/06/baterias-sodio-futuro-coche-electrico.html

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A día de hoy, la inmensa mayoría de baterías empleadas en los coches eléctricos son de iones de litio. Sin embargo, algunos fabricantes como el gigante chino CATL están comenzando a explorar una alternativa: el sodio, un elemento que podría solucionar de un plumazo los problemas de disponibilidad del litio a los que se enfrentará la industria en los próximos años.

La creciente demanda de coches eléctricos ha llevado a que los precios del litio se cuadripliquen en menos de un año; además, a pesar de que la química LFP (litio-ferrofosfato) está ganando popularidad, la mayoría de marcas continúan empleando celdas NCM (níquel, manganeso, cobalto), compuestas por otras materias primas problemáticas.

Mientras que el cobalto procede mayoritariamente de la República Democrática del Congo, donde se extrae en condiciones infrahumanas, el níquel ha visto su coste dispararse debido a la invasión rusa de Ucrania. Se estima que para 2027-2028, habrá una escasez generalizada de materias primas necesarias para fabricar baterías a gran escala.

En este contexto, los desarrollos relacionados con las baterías de sodio se han visto acelerados en todo el mundo. Este elemento es más abundante y barato que el litio; además, es más fácil de reciclar. Tampoco podemos perder de vista que tienen un rendimiento muy superior a bajas temperaturas, uno de los puntos débiles de las de iones de litio.

El sodio es más abundante que el litio

Al ser el sodio mucho menos corrosivo que el litio, su adopción también abrirá la puerta al uso de materiales más baratos en la construcción de las baterías (por ejemplo, aluminio en lugar de cobre). Por último, pero no menos importante, la estabilidad térmica de las celdas de sodio es superior a las de litio, lo que se traduce en unos índices de seguridad superiores.

Sin embargo, también presentan varias desventajas. Para empezar, el sodio es un elemento más pesado que el litio; además, la densidad energética de este tipo de baterías por el momento es inferior a la lograda por las químicas NCM y LFP. Al funcionar a voltajes más bajos, los tiempos de carga y descarga también resultan peores.

A pesar de todo, la enorme disponibilidad de sodio en casi todo el planeta debería compensar con creces estos problemas, más si tenemos en cuenta que en la actualidad las empresas de origen chino controlan mayoritariamente la extracción de litio y cobalto alrededor del mundo, algo que deja en clara desventaja a otras regiones como Europa o India.

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Las baterías de sodio podrían ser el futuro del coche eléctrico | forococheselectricos

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A día de hoy, la inmensa mayoría de baterías empleadas en los coches eléctricos son de iones de litio. Sin embargo, algunos fabricantes como el gigante chino CATL están comenzando a explorar una alternativa: el sodio, un elemento que podría solucionar de un plumazo los problemas de disponibilidad del litio a los que se enfrentará la industria en los próximos años.

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Actualmente la principal fuente de energía empleada son los hidrocarburos, el uso de estos combustibles trae consigo efectos negativos como: deterioro ambiental, efecto invernadero, aumento en la temperatura global, acidificación de los océanos, aumento en el nivel del mar, y demás. El objetivo primordial de la sustitución o mejora de las fuentes de energía actuales es principalmente, la reducción de las emisiones de CO₂ para así limitar el cambio climático.

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Asimismo, su sustitución por fuentes de energía renovables responde al reto de la escasez de recursos fósiles. Se busca cambiar el hecho de que la energía actual se obtiene en gran parte de combustibles fósiles, sin embargo, no resulta una tarea sencilla. Por lo tanto, se buscan nuevos tipos de tecnologías que poco a poco reemplacen a las anteriores, ya sea en costos, contaminantes producidos,  capacidad energética y de almacenamiento, entre otros.

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Además del problema energético, la dependencia de combustibles fósiles ha provocado aumentos históricos en la temperatura del planeta, lo cual resulta preocupante para todo ser vivo que lo habita

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Para más información sobre el calentamiento del planeta

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Para más información sobre el calentamiento del planeta

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https://www.lavanguardia.com/vida/junior-report/20210325/6605302/aumento-temperatura-planeta-tres-graficos.html#foto-4

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La temperatura global de la Tierra cada vez es más alta. Desde finales del siglo XIX, la temperatura media de la Tierra ha aumentado 1,2 grados centígrados. Esto es síntoma del impacto de las actividades humanas en nuestro planeta, especialmente de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Lo más peligroso de este hecho es que los últimos siete años han sido los más cálidos desde que se tienen registros, lo que evidencia una tendencia al alza que no dejará de crecer y que conllevará que sigamos batiendo récords en el futuro.

Según datos de la NASA, en 1880 la temperatura media del planeta era de -0,16°C y en 2016 y 2020, por primera vez, se superó a más de 1°C. En este gráfico se puede comprobar cómo ha crecido la temperatura global, sobretodo en los últimos años. Cuanto más azul es la barra, más fría fue la temperatura; cuanto más roja, más caliente.

Existen informes de otras organizaciones que sitúan la temperatura de 2020 hasta los 1,2 °C, lo que supone una situación más grave y una acción aún más urgente, si cabe. Además, según la Organización Meteorológica Mundial (OMM) existe un 20% de probabilidades de que en 2024 lleguemos a superar los 1,5 °C.

Esto supondría una catástrofe para el ecosistema global, con la desaparición de muchas especies de plantas y animales y la desaparición total de los arrecifes de coral. Así lo llevan advirtiendo desde hace años los científicos del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), el principal órgano internacional para la evaluación del cambio climático.

El aumento de la temperatura no es algo exclusivo de una época del año. En este gráfico se puede comprobar cómo a lo largo de los doce meses existe esta tendencia al alza. Asimismo, se observa claramente cómo en los últimos 30 años la subida es aún más drástica.

Y tampoco es un hecho exclusivo de una zona en concreto. Todo el planeta está sufriendo el incremento de la temperatura. En este mapa de la temperatura de la Tierra y el océano en 2019 se puede observar las anomalías y el enorme crecimiento.

El Acuerdo de París de 2015 fija que el aumento de la temperatura debe mantenerse lo más cerca posible a 1,5 °C, aunque las predicciones científicas alertan de que esta cifra llegará a superarse entre 2030 y 2050. Sin embargo también señalan que, si tomamos medidas urgentes, es posible que pueda reducirse y estar por debajo hacia el año 2100.
Fuentes: ECODES, IPCC, NASA, NOAA, ONU.
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El aumento de la temperatura del planeta en tres gráficos

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La temperatura global de la Tierra cada vez es más alta. Desde finales del siglo XIX, la temperatura media de la Tierra ha aumentado 1,2 grados centígrados. Esto es síntoma del impacto de las actividades humanas en nuestro planeta, especialmente de las emisiones de gases de efecto invernadero.

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Tal y como se menciona en la noticia sobre el problema energético actual, existe una demanda energética la cual resulta más difícil satisfacer día con día, por lo que se apunta a energías renovables junto con formas de almacenamiento mucho más eficientes

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De las tecnologías más conocidas y actualmente en aplicación son los paneles solares, de manera que se intenta aprovechar la fuente de energía más grande que existe para el planeta, la cual es el sol.

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http://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/61_2/PDF/EnergiaSol.pdf

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Sin embargo, poco se puede hacer en el caso de que dicha energía no pueda ser almacenada, por lo que junto a los paneles solares se utilizan baterías de diferentes tipos para su almacenamiento, entre ellas las baterías de litio, las cuales son la mejor opción actualmente para el almacenamiento de energía debido a su alta eficiencia.

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Noticia sobre el almacenamiento de energía solar

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Noticia sobre el almacenamiento de energía solar

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https://www.bbva.ch/noticia/el-reto-del-almacenamiento-de-la-energia-solar/#:~:text=El%20almacenamiento%20de%20la%20energ%C3%ADa,solares%20que%20ejecutan%20esa%20funci%C3%B3n.

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La generación y uso de energía eléctrica a partir de fuentes renovables representan una solución viable para contrarrestar la contaminación producida por la producción energética con base en la quema de combustibles fósiles, y también para combatir el cambio climático derivado de la concentración de gases de efecto invernadero.

Sin embargo, el almacenamiento de esta energía también representa un gran reto, y junto con los altos costos que esto representa, han sido las grandes barreras para la adopción e implementación masiva de estas tecnologías.

Energía solar: obtención y almacenamiento

En concreto, la energía solar es intermitente, es decir, solo se puede obtener cuando el día está soleado. Su almacenamiento representa una dificultad para su uso eficaz, que es fundamental para que podamos llevar a cabo una transición hacia este tipo de energía amigable con el ambiente.

El almacenamiento de la energía solar se logra por medio de baterías solares, capaces de contener la energía fotovoltaica, proveniente de la radiación solar que fue captada por medio de los paneles solares compuestos de células solares que ejecutan esa función.

La batería solar está compuesta de celdas electroquímicas, cuya función es transformar la energía química del sol en energía eléctrica para ser almacenada en esta batería.

Cada batería está compuesta por dos electrodos, uno positivo y otro negativo, y electrolitos. En su conjunto hacen que la energía fluya en forma de corriente para cumplir con su objetivo de energizar desde el alumbrado público hasta nuestros hogares.

Tipos de baterías

Baterías de monoblock. Las encontramos principalmente en instalaciones caseras que suelen ser las más comunes para fines de autoconsumo. Son de potencia baja a media, suficiente para la iluminación y uso de electrodomésticos de baja potencia. Su duración es menor en términos de ciclos de descarga profunda.

Baterías estacionarias. No son muy diferentes de las anteriores en cuanto a su estructura y funcionalidad, sin embargo, estas baterías son más utilizadas en sitios de consumo medio a alto, y su coste financiero es mayor.

Baterías de litio. Hoy en día constituyen la mejor opción ya que su alta eficiencia se mezcla con su baja necesidad de mantenimiento, coste moderado y alta durabilidad, también, en ciclos de descarga profunda.

Con el tiempo ha aumentado la capacidad de almacenamiento de energía en los parques solares. Han pasado de 214 MW a 899 MW en promedio por día en un parque de tamaño moderado. Se espera que conforme avance la tecnología esta capacidad pueda aumentar a 2,500 MW para el año 2023.

Adicional a la tecnología existente, se encuentran en desarrollo soluciones como las celdas de hidrógeno, para obtener una mayor capacidad de energía a partir de la electrólisis.

Este es el mecanismo de separación de las moléculas del agua. Se trata de aprovechar esta reacción, liberando oxígeno al ambiente y utilizando la energía proveniente de la quema del hidrógeno para generar energía.

Es vital la transición a las energías limpias, por ende, es importante que estemos pendientes de la evolución del almacenamiento de esta energía no contaminante, para dejar de depender de la energía convencional de combustibles fósiles.

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El reto del almacenamiento de la energía solar

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Actualidad sobre Almacenamiento, Energía renovable, New Gen.

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¿Qué sustancias o elementos están involucrados en nuevas tecnologías para el almacenamiento de energía?

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¿Qué sustancias o elementos están involucrados en nuevas tecnologías para el almacenamiento de energía?

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A continuación, se muestran una serie de tecnologías en investigación para mejorar el almacenamiento de energías renovables, resaltando sustancias químicas y elementos involucrados en dichos avances.

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Más información sobre las aplicaciones de nanotubos de carbono en baterías de litio

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Más información sobre las aplicaciones de nanotubos de carbono en baterías de litio

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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5512968/pdf/materials-06-01138.pdf

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Se define a la infraestructura "cero-energía" a aquella que tienen como objetivo reducir la necesidad de energía de fuentes que no sean renovables.

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¿Qué nuevas tecnologías son implementadas para renovar las fuentes de energía en infraestructura?

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¿Qué nuevas tecnologías son implementadas para renovar las fuentes de energía en infraestructura?

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https://www.bbc.com/mundo/noticias-46127406

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Fuente de la imagen, Getty Images

Algunos científicos estiman que para el año 2050 dos tercios de la población mundial estará viviendo en ciudades, así que están buscando, junto a algunas firmas tecnológicas, la forma de generar energía renovable que emane del propio mobiliario urbano que nos rodea. ¿Es algo realista?

Si tenemos en cuenta los nuevos materiales, inventos y aparatos que se están desarrollando nadie puede decir que este es un objetivo inalcanzable.

Otra cosa muy distinta es si son factibles desde el punto de vista económico y si realmente son una alternativa a los generadores de energía que ya existen.

Estos son cinco inventos revolucionarios que ya han demostrado su eficacia,

1. Cemento energético

Las mezclas de cemento hechas con residuos de centrales eléctricas podrían servir para construir, por ejemplo, edificios que sirvan de baterías.

Este concreto compuesto de potasio geopolimétrico (KGP) es más barato que el cemento común y puede almacenar electricidad.

Según los investigadores, un poste de luz de seis metros de altura hecho con KGP y equipado con un pequeño panel solar podría contener suficiente energía para alimentarse por sí mismo durante toda la noche.

"Hemos demostrado que las mezclas de cemento KGP se pueden usar para almacenar y liberar energía eléctrica sin la necesidad de añadir nada que sea costoso o peligroso", asegura el profesor de la Universidad de Lancaster Mohamed Saafi, quien encabeza la investigación.

Los edificios hechos con KGP podrían usarse en las ciudades para atender a sus demandas eléctricas.

2. Ventanas hechas de paneles solares

Los nuevos materiales también están ayudando a que los paneles solares sean más baratos y rentables.

La energía solar es la fuente de energía renovable más común en ciudades porque el costo ha caído de los US$4 por vatio que costaba hace una década a los US$0,50 que vale ahora.

En Reino Unido, por ejemplo, más de una de cada tres empresas ya produce parte de su propia electricidad, en su mayoría utilizando paneles solares colocados en los tejados.

Pero la fabricación de paneles solares a base de silicio supone un gran gasto de energía porque requiere temperaturas superiores a los 1.400ºC o superiores y el silicio debe de ser 99.9999% puro.

Ahora han surgido materiales como la perovskita que pueden hacer los paneles mucho más delgados, baratos y que trabajan a temperaturas mucho más bajas, cuenta Nitin Padture, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown, en Estados Unidos.

Al ser parcialmente transparentes, también podrían usarse para ventanas.

El inconveniente es que la mayoría de ellos contienen plomo, un metal altamente tóxico, pero una opción que sugiere el profesor Padture y su equipo es reemplazar el plomo por titanio.

"El titanio es bastante común, pero nadie había pensado en usarlo para reemplazar el plomo en los paneles solares de perovskita", dice.

"No estamos buscando reemplazar la tecnología de silicio que existe ahora mismo, sino mejorarla".

3. Turbinas eólicas urbanas

A la hora de hablar de viento, la otra fuente de energía renovable más común, las turbinas convencionales no funcionan bien en áreas con muchos edificios porque las direcciones del viento varían mucho.

Pero los investigadores Nicolas Orellana y Yaseen Noorani han creado un aerogenerador esférico para acabar con el problema. Su turbina O-Wind, que ha ganado el Premio James Dyson 2018 en Reino Unido, es un dispositivo esférico que gira cuando el viento lo golpea desde cualquier dirección.

Otra solución la aporta la firma turca Devici Tech. Se trata de usar turbinas eólicas verticales a lo largo de las carreteras que puedan usar la energía generada por los carros al circular.

La compañía asegura que sus turbinas Enlil, ya en fase de prueba en Estambul, pueden atender las necesidades energéticas de hasta dos casas y que además se les pueden incorporar paneles solares y sensores sísmicos.

Pero hay algunos inventos que, pese a funcionar, han demostrado no ser en absoluto rentables.

4. Carreteras fotovoltaicas

En Francia, por ejemplo, la firma de ingeniería Colas fue pionera en construir carreteras fotovoltaicas. Instaló varias en todo el país así como en algunas zonas de Japón y de Estados Unidos.

La primera construcción fue en una ruta de 1 kilómetro de un solo carril en Normandía, en el noreste del país.

Existen dudas sobre si, en el caso de las carreteras fotovoltaicas, los paneles solares son realmente útiles porque al estar en posición horizontal en lugar de inclinados hacia el sol, pueden no recibir tantos rayos solares. Además, el tráfico intenso, la nieve o el barro puede bloquearlos.

En 2014, se construyó un pequeño carril bici de 70 metros en Ámsterdam por US$3 millones. Produjo 3.000 kilovatios por hora (kWh) de electricidad en su primer año, pero por ese dinero, se podrían haber comprado 65 millones de kWh de electricidad en el mercado abierto.

5. Energía al movimiento

Otra tecnología que busca justificarse comercialmente es la piezoeléctrica. Es un tipo de energía que, cuando se aprietan ciertos materiales, como el cuarzo, fluye a través de ellos.

Por lo tanto, los automóviles y camiones que viajan a lo largo de superficies de carreteras especiales equipadas con dispositivos piezoeléctricos podrían generar energía. Los peatones podrían hacer esto mismo en pavimentos especiales.

En 2009, la firma israelí Innowattech experimentó con carreteras que capturan energía y ahora una firma estadounidense, Pyro-E, quiere probar una tecnología similar en un pequeño tramo de carretera en Fresno, California.

Pero aunque estos proyectos son técnicamente viables, actualmente son caro s.

Algunos calculan que en Estados Unidos, un kilómetro de una calle de doble sentido necesitaría 13.000 dispositivos piezoeléctricos, lo que sumaría US$400.000 a los costos de construcción.

Incluso sin considerar los costos de fabricación o instalación, llevaría aproximadamente 12 años recuperar esta cantidad.

La firma del Reino Unido Pavegen ha desarrollado pavimentos generadores de electricidad que pueden producir de dos a cuatro julios de energía con cada paso que se da sobre ellos.

Sus pavimentos, que cuestan alrededor de US$2.700 por metro cuadrado, se han instalado en 200 lugares en todo el mundo.

La cifra puede resultar bastante alta, pero también resultaban caros los paneles solares cuando irrumpieron en el mercado por primera vez.

"Creemos que las personas, no solo la tecnología serán las que mejorarán nuestras ciudades", afirma Laurence Kemball-Cook, fundador y director ejecutivo de Pavegen.

La idea, esperan, es que las personas puedan ayudar a crear también ciudades sostenibles, con energía renovable.

La tecnología está, ahora toca abaratar los costos.

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5 inventos revolucionarios que pueden ayudar a producir energía en las ciudades - BBC News Mundo

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La idea de crear energía a partir del mobiliario urbano que nos rodea está cada vez más cerca. Ayudaría a abastecer la demanda de las ciudades. El problema es que aún no se ha encontrado una manera de que ciertos materiales innovadores sean más baratos.

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Paneles solares de silicio y antimonio utilizados en carreteras, y óxido de titanio y calcio en paneles solares en ventanas, así como también, potasio para la innovación de cemento. Son algunos de los inventos que se proponen transformar la energía de las ciudades en una más limpia.

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https://www.xataka.com/energia/estamos-cerca-convertir-nuestras-ventanas-paneles-solares-todo-gracias-a-perovskitas

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Quizás no tengas piscina, ni sala de juegos, ni un porche en el que disfrutar de agradables barbacoas de verano, pero casi seguro que lo que sí tienes en casa son ventanas.

Las tienes tú, yo y probablemente el inquilino del quinto y el vecino de al lado. Si es algo que incluimos en prácticamente todos los hogares y hay casos incluso, como ciertos rascacielos, en los que llegan a ocupar superficies enormes de fachada, ¿por qué nos buscarles otros usos, además de ofrecernos vistas y permitir el paso de la luz? ¿Y si además generasen energía?

Un grupo de investigadores australianos han allanado el camino para lograrlo y que algún día, quizás no dentro de mucho, el mismo ventanal que ilumina nuestro salón nos provea de energía. La clave es el desarrollo de células solares semitransparentes de perovskita, una familia de materiales de estructura cristalina que prometen revolucionar las tecnologías fotovoltaicas.

El equipo ha logrado fabricar prototipos de células solares semitransparentes con una relación de porcentajes esperanzadora: una eficiencia de conversión del 15,5% con una transmitancia visible promedio -la cantidad de radiación solar visible que la atraviesa- de más del 20%.

Claridad... y energía

¿Qué significan esos porcentajes? Básicamente, que han conseguido modelos con una eficiencia más que respetable en la generación de energía y que, al mismo tiempo, dejan pasar la suficiente luz como para que podamos despejar al fin el camino hacia las "ventanas solares".

"Este trabajo supone un gran paso adelante hacia la realización de dispositivos de perovskita estables y de alta eficiencia que se pueden implementar como ventanas solares", señala el profesor Jacek Jasieniak, de la Universidad de Monash. Además de sus ventajas para el impulso de las renovables, el avance apunta a "una oportunidad de mercado en gran medida sin explotar".

En 2020 el ARC Center of Excellence in Exciton Science ya había logrado fabricar un prototipo que permitía el paso del 10% de la luz visible con una eficiencia de conversión de energía del 17%, lo que no dista mucho del que alcanzan los paneles solares convencionales. Como recuerda la Universidad Monash, las celdas de silicio que podemos ver en los techos, opacas y que no pueden emplearse como ventanas, manejan una tasa de eficiencia de conversión de aproximadamente el 20%.

Ahora el mismo equipo ha logrado resultados todavía más prometedores: prototipos de células solares semitransparentes con niveles de eficiencias de conversión de energía del 15,5% y 4,1% alcanzando, respectivamente, una transmitancia visible del 20,7 y 52,4%.

Puede que el primer dato sea inferior al 17% alcanzado en su día, pero - subrayan desde la Universidad de Monash- "la cantidad de luz visible que dejan pasar estos nuevos materiales es significativamente mayor". Y eso abre un abanico de posibilidades y aplicaciones.

Las investigaciones de los científicos australianos se han centrado en concreto en células solares elaboradas con perovskita, fáciles de fabricar en el laboratorio y que se pueden adaptar a diferentes propósitos, ajustando aspectos como la cantidad de luz absorbida o la energía que conducen.

"Los investigadores descubrieron que una combinación de cesio y formamidinio en la composición inicial de perovskita ofrecía el mejor rendimiento en diferentes intervalos de banda", comentan.

Durante su trabajo el equipo comprobó que las células de cesio y formamidinio mostraron "una excelente estabilidad a largo plazo". En el artículo de Advanced Science en el que desgranan sus resultados explican cómo tras mil horas bajo una iluminación continua, las células de perovskita semitransparentes conservaron el 85% de su eficiencia de conversión de energía inicial.

Imagen de portada | Dr. Jae Choul Yu

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Estamos un paso más cerca de convertir nuestras ventanas en paneles solares. Todo gracias a las perovskitas

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Quizás no tengas piscina, ni sala de juegos, ni un porche en el que disfrutar de agradables barbacoas de verano, pero casi seguro que lo que sí tienes en casa son ventanas. Las tienes tú, yo y probablemente el inquilino del quinto y el vecino de al lado.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263822318312431

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Abstract

In this paper, we demonstrate for the first time that potassium-geopolymeric (KGP) ) ions to store electrical energy and sense mechanical stresses. The geopolymeric cementitious composite exhibited a good room temperature  S/m) and an activation energy as high as 0.97 eV. The with a discharge life of about 2 h. The KGP stress sensors showed high sensitivity to cementitious composites can be tuned to store and deliver energy, and sense themselves without adding any functional additives or physical sensors, thus creating intelligent concrete structures with built-in capacitors for electrical storage and sensors for structural health monitoring. Density function theory (DFT)-based simulations were performed to determine the electronic properties of the KGP cementitious composite and understand its conduction mechanism. Experimental characterization was also conducted to determine the structure, chemical composition, conduction mechanism, energy storage and sensing capabilities of the KGP cementitious composite. The DFT simulations suggested that the KGP cementitious composite relies on the diffusion of potassium (K ionic conductivity in the range of 12 (10 ⁺maximum power density of the KGP capacitors is about 0.33  kW/m −2 compressive stress: 11 Ω/MPa based on impedance measurement and 0.55 deg/MPa based on phase measurement. With further development and characterization, the KGP cementitious composite can be an integral part of concrete structures in the form of a battery to store and deliver power, and sensors to monitor the structural integrity of urban infrastructure such as bridges, buildings and roads. ²

Introduction

Recently, there has been a growing interest in the development of advanced structures to enhance the safety and sustainability of civil infrastructure systems such as bridges, buildings, roadways and energy constructed facilities. Advanced structural materials of the future are being envisaged to provide new smart features such as self-condition monitoring to determine the magnitudes and locations of any deterioration occurring in structures so that proper actions can be taken to avoid failures. Ordinary Portland cement (OPC) is the most widely used material for the construction of civil infrastructure systems. When OPC is mixed with water, the resulting hydration products fulfil their primary function of mechanical load bearing, but lack the functionality needed for civil infrastructure systems of the future. Consequently, expensive and exotic functional additives are routinely used to induce self-sensing functionality in cement-based materials. For example, conductive fillers such as carbon fibers (CFs), carbon nanotubes/nanofibers (CNTs/CNFs) and graphene were employed to induce the piezoresistive effect in cement-based materials for structural health monitoring applications [1], [2], [3]. However, a large-scale deployment of conductive fillers in cementitious composites is limited due to serious issues including poor dispersibility, incompatibility with the host materials, costs and health risks.

Structural materials will also take on additional functions such as collection and storing power from solar and wind renewable energy sources. This function will not only improve the energy efficiency of structures but also enable better management of excess energy by feeding it to the grid to reduce energy peak demands [4] or using it to power auxiliary systems such as lighting posts, traffic lights, advertising boards, electric vehicle charging stations and structural health monitoring sensors. In the areas of aerospace and automotive engineering, several concepts of composite-based structural energy storage systems have been introduced that can simultaneously carry load and store electrical energy [5], [6], [7]. In these structural capacitors, the reinforcing carbon fiber mats act as electrodes and the specially formulated resin epoxies act as ionic electrolytes [5], [6], [7]. Research into electrical energy storage in civil engineering structures remains scarce and only a few concepts of OPC-based structural electrical energy storage systems have been proposed to date [8], [9]. These cement-based energy storage systems use the pore solution in the cement as electrolyte and cement with additives such as graphene, black carbon, zinc and magnesium dioxide as electrodes [8], [9]. Unfortunately, the manufacturing of these concepts is a very expensive and complex to process, and more importantly they can only work in the wet state, thus preventing their commercial use.

Geopolymers are a new class cementitious composites and are being explored as a potential replacement for OPC, which is a material with a large carbon footprint. The most commonly used geopolymeric cementitious composites are formed by alkali activation of alumino silicate materials such as fly ash [10], [11], [12], [13]. The alkaline activators typically consist of a mixture of sodium silicate (Na ₂SiO ₃) and sodium hydroxide (NaOH). Depending on the Si/Al molar ratio, after reaction under controlled temperature, the resulting geopolymeric frameworks can be in the form of sodium-poly(sialate) (Na-PS), (Na-PSS) sodium-poly(sialate-siloxo) (Na-PSS) or sodium-poly(sialate-disiloxo) (Na-PSDS), [14]. These types of geopolymeric cementitious composites have shown to exhibit good mechanical properties and durability characteristics [15]. Like OPC, geopolymers are perceived as inherently "dumb" materials, thus, requiring functional additives to enhance their electrical properties for self-sensing purposes [16], [17]. However, we have shown that Na-PSS geoplymeric cementitious composites exhibit a fairly good ionic conductivity which can be exploited for the design of self-sensing structures [18]. Indeed, we have demonstrated that when employed in conjunction with current collectors such as graphene electrodes, Na-PSS geopolymeric cementitious composites can be used as a high resolution gauge strain sensors for health monitoring of structures [18]. However, the manufacturing process of this geopolymeric sensor is quite complex and expensive due to the addition of graphene sheets. Another type of geopolymeric cement is potassium-based geopolymeric (KGP) cementitious composites, also known as potassium-poly(sialate-siloxo) (K-PSS), which is processed by reacting aluminosilicate materials with a reagent consisting of potassium silicate (K ₂SiO ₃). KGP cementitious composites offer several advantages over Na-PS, Na-PSS and Na-PSDS-based cementitious composites including high strength, good high temperature resistance and thermal stability, excellent durability in harsh environments and easy manufacturing [19].

Herein, we demonstrate that the inherent high ionic conductivity of KGP cementitious composites can be exploited for the fabrication of multifunctional structural materials with intelligent features such as load bearing, electrical energy storage and self-sensing of mechanical stresses. To the authors' best knowledge, this is the first time KGP cementitious composites have been proposed for both electric energy storage and stress sensing without adding additives or physical sensors.

Section snippets

KGP capacitors/sensors design, materials, chemicals and fabrication

As shown in Fig. 1a, the capacitors/sensors are KGP cementitious composites equipped with two steel mesh electrodes for sensing and power storage purposes. The KGP matrix was prepared by mixing fly ash into the alkaline activator with an alkaline activator-to-fly ash ratio of 0.60. The alkaline activator consisted of potassium silicate (K ₂SiO ₃) solution with SiO ₂ = 26.6%, K ₂O = 30.7% and H ₂ O = 42.7%. The manufacturing of the KGP capacitors/sensors is quite simple. The fly ash powder was first

Mineralogical composition, morphology and structure

The XRD pattern for the KGP matrix is shown in Fig. 2. As seen, the primary crystalline phase is hydrated leucite with secondary phases mainly mullitte and quartz. Fig. 3, Fig. 4 show the EDX spectrum and the map of the chemical elements of the KGP matrix, respectively. The average oxide molar ratio of SiO ₂/A ₂lO ₃ is around 2, confirming that the KGP matrix is mainly a 3D framework in the form of hydrated leucite type-poly(sialate-siloxo) (K-PSS) or K (-Si-O-Al-O-Si-O-) as demonstrated by

Discussion

In this paper, we show for the first time that plain KGP cementitious composites can be used as multifunctional structural materials for electrical energy storage and structural health monitoring without adding any functional additives. The KGP cementitious composite was synthesized by simply activating fly ash with potassium silicate. The conduction mechanism of the KGP cementitious composite is based on the hopping of the K⁺ ions from one lattice structure to another through diffusion

Conclusions

In this paper, a novel geopolymeric cementitious composite has been designed and investigated for electrical energy storage and stress sensing. The density function theory (DFT)-based simulations revealed that the KGP cementitious composite relies on the diffusion of potassium (K⁺) ions to store electrical energy and sense mechanical stresses The electromechanical characterization indicated that the KGP capacitors are electrochemical double layer (EDL)-type capacitors with rectangular CV

Acknowledgments

The work is part of the 765057/H2020-MSCA-ITN SAFERUP project: Sustainable, Accessible, Safe, Resilient and Smart Urban Pavements. The authors acknowledge the facilities and technical assistance of the LRF Center for Nuclear Engineering.

Khoucha F, Benbouzid M, Amirat Y. Integrated energy management of a plug-in electric vehicle in residential...

Ladpli P, Nardari R, Kopsaftopoulos F, Wang Y, Chang FK. Design of multifunctional structural batteries with health...

The investigation was performed on the self-sensing behavior of reinforced geopolymer concrete beams produced at ambient curing. Prior to investigation, carbon nanotubes (CNT) and carbon black (CB) were used in small-scale geopolymer specimens at different ratios and the electrical properties of the composites were tailored in the favor of self-sensing functionality. After characterization of mechanical and electrical properties, 150 × 150 × 750 mm ³ (width × height × length) self-sensing reinforced geopolymer beams were produced with a span/effective depth ratio of 2.0. An experimental procedure was designed to obtain a mixed failure mode of shear and flexural. Engineering properties of large-scale beams were evaluated in terms of flexural strength, deflection capacities, initial stiffness and ductility ratios with the proposed design. Simultaneously, self-sensing assessments were performed continuously by the evaluation of relative factor in electrical resistivity of geopolymer beams at different loading levels. Microstructural and experimental results revealed that CNT-based beams significantly enhanced the load-carrying capacity and ductility that provided a high amount of energy dissipation capacity compared to CB-based beams. CNT-based beams exhibited 107.7%, 188.9%, 217% and 51% higher relative factor in electrical resistivity compared to CB-based beams at 25%, 50%, 75% and 100% of total applied load, respectively. Results indicate that applied load was continuously sensed by all geopolymer beams although CNT-based beams were more responsive to change of strain compared to CB-based beams at earlier stages of loading.

The effectiveness of using silica fume based sodium silicate in the production of metakaolin (MK) and ground granulated blast furnace slag (GGBS) based geopolymer was investigated. Un-densified silica fume was appropriately dissolved in a 10 M sodium hydroxide solution to obtain a sodium silicate alternative (SSA) solution having the SiO ₂/Na ₂O molar ratio of 2. The SSA solution was used together with the 10 M sodium hydroxide solution in 1:1 vol ratio as alkaline activator to elaborate MK and GGBS based geopolymer pastes with 1.5 and 0.7 alkaline activator/precursor material ratios respectively at ambient temperature of 23 ± 2 °C. Setting time, density, compressive strength, tensile strength and water absorption were the physical and mechanical tests performed on fresh and hardened pastes at 3, 7 or 28 days of curing. Powder of hardened pastes at 28 days underwent thermogravimetric (TG/DTG) analysis at up to 1000 °C. For comparison, geopolymer pastes prepared with a standard commercial sodium silicate (SSC) having the same SiO ₂/Na ₂ O molar ratio were submitted to similar tests. The SSA was found to be effective in geopolymer production as evidenced by the similar or slightly better performance in physical, mechanical and thermo-gravimetric properties when it was used compared to SSC. Un-densified silica fume could constitute suitable raw material for sodium silicate production with additional sustainability potential in the reduction of embodied energy in the production process, since the by-product is not tumbled, heated or grinded and the dilution process with the sodium hydroxide solution happens at ambient temperature.

Sensors and new materials can support optimised concrete maintenance, and produce the data needed to justify new, low carbon structural designs. While these technologies are affordable, the process of manual installation in a construction context comes with acute and unfamiliar risks to productivity, personnel safety, and confidence in the quality of workmanship. The installation of smart materials using robotics could address some of these issues, but there are few proofs-of-concept at the time of writing. Here, we present a robotically controlled process for spray coating geopolymers - a class of self-sensing concrete repair materials. By tuning mix design, robotic toolpaths and spray dispenser parameters, we show reliable and automated spray coating of 250 mm ² patches in a laboratory setting. The cured geopolymer has a compressive strength of 20 MPa, and a bond strength to the concrete substrate of 0.5 MPa. Electrical interrogation of patches, via a set of four electrodes, produces strain and temperature measurements of the underlying concrete substrate with resolutions of 1 με and 0.2 °C, respectively. This demonstration multifunctional material deposition using robotics is a step towards remote, traceable, and low-risk technology deployment across civil engineering sectors. This could support more widespread adoption of novel concrete health monitoring and repair systems in future.

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Inherently multifunctional geopolymeric cementitious composite as electrical energy storage and self-sensing structural material

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In this paper, we demonstrate for the first time that potassium-geopolymeric (KGP) ) ions to store electrical energy and sense mechanical stresses. The geopolymeric cementitious composite exhibited a good room temperature  S/m) and an activation energy as high as 0.97 eV. The with a discharge life of about 2 h.

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Vista de Evaluación de Ventanas Fotovoltaicas con Concentradores Solares Luminiscentes para Edificios Cero-energía en Santiago de Chile

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