Estudiante mexicano desarrolla nanobatería basada en energía mecánica

En la Universidad Autónoma de Barcelona, el mexicano Óscar Gilberto Súchil Pérez desarrolla un sistema de almacenamiento de energía alternativo a las baterías electroquímicas para alimentar microsistemas de bajo consumo.

Como parte de sus estudios de doctorado en ingeniería electrónica y telecomunicación, que realiza con una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), este sistema almacena energía mecánica en lugar de energía eléctrica, utilizando matrices de nano y microhilos de óxido de zinc (ZnO).

Bajo la asesoría de los prestigiosos investigadores Francesc Torres y Gabriel Abadal, la pila que desarrolla Súchil Pérez ofrece varias ventajas respecto a las que actualmente hay, una de ellas es que podría tener una vida útil mayor.

“Al no necesitar un proceso electroquímico para el almacenamiento energético, puede llegar a tener una vida mayor pues en las baterías electroquímicas los materiales son expuestos a una degradación por el ataque de un ácido”.

Asimismo, registrará una menor autodescarga, ya que en las baterías electroquímicas se reduce su carga de almacenamiento dependiendo de la temperatura ambiente a que se encuentren, explicó el ingeniero.

Mientras que “las baterías mecánicas solo se descargarán por una posible fatiga del material dada por uso en cada carga y descarga, pero mientras se encuentra acumulando energía (es decir, los hilos están comprimidos) la batería conservará su energía en todo momento siempre y cuando las variaciones de temperatura no alcancen niveles que provoquen una deformación plástica causada por temperatura».

Además de que su tamaño y su peso es realmente bajo, pues se tiene contemplado que estas baterías tengan un peso máximo de 1.7 miligramos, indicó el becario Conacyt.

“La batería mecánica almacenará energía proporcional a la densidad de hilos crecidos sobre su superficie activa, dado que los hilos de ZnO son de dimensiones sub y micrométricas —y si descontamos el peso de los sustratos para una batería de centímetro cuadrado, considerando solo el peso de los hilos de ZnO—, tendría un peso aproximado máximo de 1.7 miligramos y el volumen de estos hilos sería de 0.6 milímetros cúbicos”.

Luego de participar en el concurso Tu Tesis en 3 Minutos, que organiza el Conacyt, el estudiante mexicano explicó a la Agencia Informativa Conacyt en qué consiste esta batería que desarrolla bajo el proyecto Cosecha y almacenamiento de energía utilizando tecnologías NEMS/MEMS para el diseño de una batería de energía mecánica.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cómo surgió la idea de desarrollar este sistema de almacenamiento de energía?

Óscar Gilberto Súchil Pérez (OGSP): La idea surge a partir del interés actual que hay por el desarrollo de microsistemas autoalimentados que utilizan energy harvesting, o bien cosechan su energía del ambiente; la principal desventaja que presentan en comparación con los microsistemas alimentados por una batería electroquímica es su bajo rendimiento.

Una causa de este bajo rendimiento es la pérdida de energía que hay desde que la capturan hasta que la transforman y la utilizan. Nuestra propuesta es el diseño de un sistema de almacenamiento que no utilice una batería electroquímica y que tampoco pierda energía transformándola hasta su utilización, es decir “un sistema de almacenamiento de energía enteramente mecánica sin intervenir un proceso electroquímico”.

Batería basada en el principio del resorte

AIC: ¿Cómo funciona este sistema que desarrollas?

OGSP: Nuestra propuesta utiliza el mismo principio que vemos en un resorte normal, si comprimimos dicho resorte, este almacena una energía potencial en forma de deformación mecánica, esta energía no se pierde ni depende de un proceso electroquímico, ya que depende enteramente de las propiedades mecánicas del material y se puede extraer en forma de fuerza cuando dicho resorte es liberado de la compresión en una sola descarga o de forma paulatina sin perder su energía por un tiempo de almacenamiento prolongado, es decir, sin sufrir autodescargas como las baterías electroquímicas.

Siguiendo este mismo principio, en lugar de utilizar un resorte, propusimos una matriz de hilos de óxido de zinc crecidos sobre un sustrato de silicio. Seleccionamos este material por sus propiedades mecánicas, semiconductoras y piezoeléctricas. Además de que su fabricación es simple y de bajo costo, ya que se pueden obtener a través de un método de síntesis llamado método hidrotérmico.

Dichos hilos serán comprimidos como el resorte tomando como límite preliminar de carga el punto en el que el material pandea (linear buckling) para evitar una deformación permanente en el hilo y permitir varias cargas y descargas.

El almacenamiento de energía mecánica es dependiente de sus propiedades mecánicas y el número de hilos comprimidos por unidad de área, al ser un material piezoeléctrico, la energía que almacenan es posible transformarla posteriormente a una energía eléctrica.

AIC: ¿Podrías describir el sistema?

OGSP: Actualmente hemos sido capaces de sintetizar finos hilos de óxido de zinc con estructura cristalina wurtzita hexagonal con diámetros de 0.65 a 1.5 micras y longitudes de 1.7 a 5.7 micras a través de la síntesis por método hidrotérmico sobre dos sustratos distintos, el primero es de silicio-cromo con deposición superficial sobre una cara de oro y el segundo sustrato es de silicio dopado tipo P.

La finalidad de utilizar distintos sustratos era verificar si el oro es necesario como catalizador de la reacción química encontrada en el método de síntesis hidrotérmica. Cada muestra mide un centímetro cuadrado, realizando estudios estadísticos calculamos las densidades para cada grupo dándonos un total de 0.28 hilos micras cuadradas para el grupo A y 0.68 hilos micras cuadradas para el grupo B, por tanto, para un centímetro cuadrado tendremos 28 x 106 hilos para el grupo A y 68 x 106 hilos para el grupo B.

Las dimensiones de nuestra batería dependen del nivel de energía que se puede almacenar en cada hilo, así como la cantidad de energía requerida por el sistema a alimentar y la eficiencia con la que el material convierta la deformación mecánica en eléctrica, dicho estudio es en el que nos encontramos actualmente junto con la caracterización mecánica-eléctrica de la matriz de hilos crecidos utilizando un sistema de compresión (set-up de nanoindentación diseñado a medida) para la caracterización mecánico-eléctrica de los hilos de ZnO durante el año en curso del doctorado.

AIC: ¿Cuál es su capacidad de almacenamiento?

OGSP: Nos encontramos en la etapa de caracterización experimental de la matriz de hilos de ZnO utilizando como límite preliminar de compresión el límite teórico de la región lineal o punto donde ocurre el pandeo del material (linear buckling).

Hemos realizado un modelo analítico para teorizar las capacidades energéticas siguiendo la teoría de la región elástica de los materiales por cada hilo, utilizando también simulación por método de elementos finitos, obteniendo para el grupo A una densidad de energía de 1.11 megajulios por metro cúbico (MJ/m₃) y para el grupo B, 5.45 MJ/m₃.

AIC: ¿Con la cantidad de energía estimada qué se podría abastecer de energía?

OGSP: Actualmente nos encontramos en la caracterización experimental de los hilos para determinar si el modelo analítico corresponde al modelo experimental medido, es decir si los hilos son capaces de almacenar los niveles de energía predichos. Como una estimación teórica, si definimos un área activa de un milímetro cuadrado para la batería mecánica, idealmente podríamos almacenar energía del orden de los 10 a 70 nanowatts (nW), niveles en los que se encuentran actualmente los sensores de bajo consumo.

AIC: ¿Cuándo podría salir a la venta esta batería?

OGSP: Dado que el proyecto se encuentra actualmente en la fase experimental, considero que aún falta mucho trabajo por hacerse para definir una fecha de comercialización. Aún falta por definir el diseño final de la batería mecánica, por lo cual estimo que, en un escenario optimista, su lanzamiento en prototipo podría ser en cinco años.

Superar los retos

AIC: ¿A qué retos te enfrentaste para desarrollar este sistema de almacenamiento?

OGSP: Alrededor del doctorado han surgido distintas dificultades para el proyecto, por ejemplo, en la primera etapa de desarrollo nos encontrábamos con la estabilización de la reacción química del método hidrotérmico, aunque este método ha sido probado con anterioridad y hay muchas publicaciones al respecto, requerimos de meses de pruebas ajustando y variando distintos parámetros en el proceso químico para llegar a la morfología adecuada de hilos de ZnO requerida para nuestro propósito de almacenamiento de energía.

Posteriormente, en la etapa analítica de las propiedades mecánicas del material nos encontramos con pocos trabajos previos en nanoindentación para hilos de óxido de zinc, que utilizamos después para llevar a cabo el análisis adecuado del comportamiento mecánico para los hilos crecidos.

Finalmente, para complementar el trabajo de investigación y evaluar las capacidades energéticas de los hilos de ZnO, llegamos a la conclusión de diseñar y fabricar nuestro propio sistema de nanoindentación de bajo costo, con el objetivo de evaluar nuestro modelo teórico, así como extraer las propiedades mecánicas reales de nuestros hilos.

En esta etapa es en la que nos encontramos. Actualmente, la dificultad más importante ha sido no solo el diseño del sistema de compresión en sí, sino también la calibración y la puesta a punto de este sistema que nos ha llevado los últimos meses trabajar en ello.

Conacyt, promotor de talentos

AIC: ¿Qué papel ha jugado el Conacyt en tu formación académica y en el desarrollo de este proyecto?

OGSP: El Conacyt no solo me ha brindado el financiamiento tanto de mi maestría como de mi doctorado, sino que en todo momento ha dado seguimiento a mi estancia como estudiante en Cataluña, España, invitándome a participar en diversas actividades de integración para que pueda convivir y colaborar con la comunidad de becarios mexicanos en el extranjero.

AIC: ¿Cuál fue tu experiencia de participar en Tu Tesis en 3 Minutos?

OGSP: Creo que fue un ejercicio bastante interesante, ya que fue un gran reto sintetizar en un tiempo tan corto lo más relevante de una investigación de tres años.

Además fue un gran desafío utilizar un lenguaje lo más claro posible para que la audiencia de cualquier disciplina fuera capaz de comprender la idea general del proyecto. Y lo más importante, hacerlo dinámico y ameno fue una labor bastante compleja.

AIC: ¿Qué piensas hacer al regresar a México?

OGSP: Me gustaría colocarme en el sector empresarial enfocado al desarrollo de tecnologías para cumplir con mis obligaciones como exbecario Conacyt.

Asimismo, quisiera crear mi propia empresa de integración de tecnologías para explotar lo aprendido en mi maestría y programa de doctorado. Considero que lo más importante del rol de investigador debe de ser concretar resultados en tecnología que tenga un impacto social benéfico, de otra manera se queda solo en la academia y no llega hasta su máximo potencial de desarrollo.

Fuente: CONACYT.