NeoFronteras

¿Batería térmica de grafeno?

Área: Tecnología — miércoles, 21 de marzo de 2012

Dicen haber conseguido una batería que funciona ininterrumpidamente a partir de sólo el calor ambiental.

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El grafeno y sus derivados son ahora el material de moda en investigación. Aunque está por ver si esto se traducirá pronto en dispositivos comerciales, continuamente se anuncian nuevos logros en microelectrónica, baterías, supercondensadores y otros. Ahora investigadores de la Universidad Politecnica de Hong Kong dicen haber creado una batería basada en grafeno que se alimenta de la energía térmica de los iones en una disolución y que produce electricidad ininterrumpidamente.
El descubrimiento está pendiente de ser confirmado, pero si se confirmara sería estupendo. No es difícil imaginar dispositivos implantados (como marcapasos) con este tipo de sistema y alimentados por el calor del cuerpo humano. Sería una fuente absolutamente renovable de energía para dispositivos móviles.
Los iones en una disolución se mueven a cientos de metros por segundo a temperatura ambiente y presión normal. La energía térmica de estos iones puede alcanzar varios kilojulios por kilo y grado de temperatura. Sin embargo, hasta ahora se había hecho poco para recuperar parte de esa energía.
Zihan Xu y sus colaboradores han construido una batería basada en una lámina de grafeno a la que han pegado un electrodo de oro y otro de plata. En sus experimentos introdujeron seis de estos dispositivos conectados en serie en una disolución de cloruro de cobre y se generaba una corriente eléctrica de 2V. La corriente producida era suficiente como para alimentar un LED comercial.
En este caso se supone que no hay conversión de energía química en electricidad como en las baterías convencionales y además funciona continuamente siempre y cuando haya energía térmica en el sistema que se pueda tomar del entorno. Digamos que siempre y cuando haya una fuente de calor la batería nunca se agota.
Según los investigadores la batería funciona de manera similar a como lo hace una célula solar. Los iones de cobre colisionan (a 300 m/s a temperatura ambiente) contra la lámina de grafeno y transfieren energía cinética a la misma. Estas colisiones son suficientes como para desplazar cargar (electrones) de la red cristalina del grafeno. Los electrones o bien se combinan con los iones de cobre o viajan a través del grafeno hasta los electrodos que pueden formar un circuito cerrado que en el exterior alimente un LED, por ejemplo.
Estos investigadores afirman que la batería en cuestión ha estado 20 días funcionando ininterrumpidamente a partir de sólo el calor ambiental.
La ventaja del grafeno es que en él los electrones se mueven muy rápido y se comportan como si fueran partículas relativistas sin masa. Se mueven mucho más rápido que a través de la disolución. Así que los electrones “prefieren” viajar por el circuito formado por el grafeno que por la disolución. De este modo se produciría el voltaje, según los autores.
El voltaje se puede incrementar mediante el calentamiento de la disolución y aumentando la velocidad de los iones de cobre con ultrasonidos. En ambos casos sube la energía cinética de los iones. Los investigadores realizaron experimentos con otras sales como las de sodio, potasio, cobalto y níquel, pero con éxito un poco inferior (menor voltaje obtenido).
Otros grupos habían conseguido generar electricidad haciendo pasar agua a través del grafeno, así que la idea quizás no sea del todo descabellada.
Aunque todavía no está claro si este sistema tiene el rendimiento suficiente como para que tenga usos prácticos.
¿Se imagina el lector que fuese rentable y todos tuviéramos en casa una gran pila de este tipo? ¿Demasiado bonito para ser verdad?
El peor escenario es que la energía producida se dé porque haya algún tipo de reacción química en el dispositivo (dos metales distintos en una disolución suena demasiado familiar). Si fuese así la idea seria totalmente inútil. Aunque Zihan dice haber descartado esta posibilidad, habrá que esperar la confirmación por parte de otros laboratorios.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3777

Fuentes y referencias:
Noticia en PhyscisWorld.
Artículo en ArXiv.
Ilustración: Zihan Xu

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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22 Comentarios

  1. Jorge:

    Yo me pregunto ,¿de donde sale la energia?.
    Si como dice el articulo, obtiene calor del medio ambiente para convertirlo e electricidad, ¿eso implica que el medio ambiente se enfria?, no puede enfriarse mas que al temperatura ambiente, para eso se requiere mas energia, por ejemplo una heladora. ¿O acaso hay una implicacion de que se obtiene energia gratuitamente?.
    Siguiendo el razonamiento, podriamos usar esa electricidad generada, para calentar al solucion, y asi… ¡obtener mas electricidad!
    Me suena mucho a movimiento perpetuo.

    Saludos y gracias.

  2. NeoFronteras:

    Pues sí, el artilugio es, como mínimo, sospechoso. De ahí todas las reservas hacia su viabilidad. Termodinámicamente se necesita un foco frío en algún sitio.

  3. tomás:

    También yo estoy interesado en la confirmación o rectificación de esta noticia. Creo que una vez montado el sistema, si se aplicara un iniciador, el movimiento de los iones enfriaría algo el interior al disminuir la velocidad de estos. Con ello ya tendríamos el foco frío; el caliente es el ambiente externo que irá cediendo calor al interno a través de las paredes del recipiente.
    De todas formas, a poco que baje la temperatura exterior, el mecanismo se parará; es decir que ésta habrá de ser muy constante.
    En resumen, que también me tiene escamado.

  4. tomás:

    Estmado Neo: A pesar de la solución que propongo, no lo tengo claro. Te agradecería una opinión.

  5. Smartton:

    Efecívamente Jorge, el segundo principio de la termodinámica prohibe este dispositivo. Se necesita un gradiente de temperaturas para extraer energía útil.

  6. NeoFronteras:

    Si el dispositivo está en un baño ambiental a una temperatura dada entonces no puede producir energía termodinámica (quizás química).
    Puestos a especular se puede imaginar que la disolución está más caliente que el ambiente y que el grafeno (o los electrodos) de algún modo radia (¿infrarrojo?) hacia el exterior de tal modo que el exterior actúa de foco frío. Como el exterior está a menor temperatura que la disolución radia de vuelta menos que lo que sale. Así se preservaría el segundo principio. Naturalmente habría que explicar el mecanismo de radiación del grafeno y cómo esto permite la producción de energía.

  7. joabbl:

    Entonces los móviles del futuro se cargaran metiéndolos un ratito en un horno microondas en vez de enchufándolos a la red eléctrica… Salvo que tengamos fiebre. Qué gran avance.

  8. juanjo:

    El segundo principio de la termodinámica prohibe este dispositivo….
    pero recordemos que la termodinámica sólo es aplicable a sistemas macroscópicos y aquí estaríamos hablando de un sistema que opera a escalas microscópicas.
    Podriamos decir que es un nuevo intento de crear un demonio de Maxwell.
    En su día se dijo que dicho dispositivo no podría existir porque consumiría más energía en “pensar” que la que se obtiene. Pero no necesitamos que nuestro dispositivo piense.

  9. breen:

    Evidentemente hay una fuente de energia externa, o sea el calor ambiente. No hay nada magico

  10. Patricio Lopez:

    Si entiendo bien, esto permite reducir a entropia global de un sistema y dar de paso una nevera gratis. En todo caso, corrijanme si me equivoco, pero el origen de la vida tambien viola el segundo principio de la termodinamica

  11. NeoFronteras:

    No, la vida o su origen no viola ningún principio termodinámico. Todo depende si un sistema es cerrado o abierto. Los seres vivos son sistemas abiertos y consiguen su grado de orden a costa del desorden del entorno.

  12. tomás:

    Pormenorizando en mi primer propuesta creo que he visto donde está mi error. El grafeno hace de diablillo de Maxwell -aunque eso no es muy importante- escogiendo los iones más rápidos. Eso rebaja la temperatura interna, por lo que yo lo tomo por el foco frío. El foco caliente sería el ambiente externo que es calentado por la emisión luminosa. Al calentarse aumenta la entropía y parece que no se viola nada, pero resulta que se está calentando el foco caliente desde el foco frío, lo que es imposible sin una aportación de energía. Por otra parte,mi idea de un empujoncito inicial me recuerda al móvil perpetuo de primera especie.
    Sólo me cabe una duda: Podemos ver que el recipiente es transparente. ¿No será que la luz solar calienta la disolución aumentando la temperatura interior y por tanto la velocidad de los iones? Si así fuera, ya tendríamos en el interior el foco caliente y en el ambiente el frío.
    Creo que de esta forma pueden cumplirse los supuestos del 6 de Neo.
    Estaría muy contento si hubiera acertado, porque sería señal de que he comprendido perfectamente.
    Saludos.

  13. Nemo:

    El sistema puede “funcionar” sin violar las leyes de la termodinámica, pero con ciertos límites. Entiendo que a partir de una cierta temperatura de la disolución, los iones transfieren energía a los electrones del grafeno; por debajo de ella no. En un sistema sin aporte externo la disolución se iría enfriando, pero el construído recibe calor del entorno -del sol o de la calefacción del laboratorio- que compensa la disipación por la radiación del led. De la misma manera que un pedazo de metal muy caliente emite luz. Si existiera uno que lo hiciera a 2o grados tendríamos el mismo efecto (y no gastaríamos pilas en linternas).

  14. tomás:

    Creo, estimado Nemo, que estás equivocado. Tu razonamiento es el mismo que el mío inicial y Neo dijo que no en su com. 6.
    Un saludo.

  15. Nemo:

    Apreciado tomás, no me he explicado bien. Doy por hecho que existe un gradiente térmico -causado y mantenido por un flujo de energía exterior- que permite al aparato generar una corriente. El gradiente puede establecerse entre el entorno inmediato del vaso (más caliente) y el fondo con el que el led interacciona por radiación (más frío).
    Pero quizás me equivoque; cuanto más lo pienso menos claro lo veo.

  16. Guille:

    Yo creo que Nemo tiene razón y que es así como funciona. Es la más simple de todas las explicaciones.

    Creo que si en vez de verlo como temperatura ambiente uno se imagina por ejemplo el centro de la tierra parece más obvio que si se puede sacar energía. Todos conocemos las centrales geotérmicas.

    Lo bonito de este dispositivo sería que puede sacar energía de la temperatura ambiente. El flujo de calor es, como dice Nemo, del exterior del recipiente al interior, que esta unas decimas de grado o unos grados por debajo.

    Yo si lo veo posible sin violar ningún principio de la termodinámica.

  17. tomás:

    Estimados Nemo y Guille:
    ¿Pero no veis que decís lo mismo que yo en mi 3?: Foco caliente en el exterior, foco frío en el interior. Y entiendo que Neo o la Termodinámica, nos lo prohíben; a lo mejor los dos. Ha de ser el foco caliente dentro y el frío fuera. Y ¿cómo puede calentarse el interior si no hay una reacción química como alude Neo en su 6?, pues si el sol atraviesa las paredes y calienta el interior ya que el aire ambiente es más diatérmico que el sistema AU-Gr-Ag, que será lo que se caliente.
    No entiendo qué quieres decir con eso de que el led interacciona con el fondo; ¿no será la tapa?.
    Y a propósito ¿qué pasaría si el led estuviera dentro? Yo creo que con mi explicación de que la fuente de energía fuese el Sol, o -la luminosidad del laboratorio- funcionaría, aunque no serviría para nada ya que su luz será muy débil.
    ¡Vaya dominio de la termodinámica que estamos demostrando!
    Abrazos en plural, claro.

  18. Guille:

    Que no tomás, que no!!

    Primero.A mi Neo no me prohibe nada, él no es quien para prohibir, si acaso no tengo razón los experimentos lo dirán. La ciencia es a la única a la que respeto en estos temas. Es más Neo no da ninguna razón para explicar porqué habría de ser como él dice.

    Segundo. Lo que dices en tu punto 3 es parecido, pero no es lo mismo que yo tengo en mente. Quizás lo expresé mal. Yo en ningún caso veo un límite para la pila en la reducción de temperatura del exterior. Supongo que podrá funcionar para un amplio rango de temperaturas, con algún límite inferior, pongamos T. Si estamos a T+30 no pasaría nada por que la temperatura bajase a T+25. Quizás la eficiencia varíe pero no dejaría de funcionar. Lo único que tiene de parecido tu comentario al mio es en el sentido de los focos de calor y frío.

    Tercero y último. Yo no se como funciona la pila pero yo no propongo una máquina exclusivamente termodinámica. La energía entra al sistema de la temperatura exterior. Esta es la fuente de energía. El intercambio es de calor. Luego la reacción es lo importante y si de verdad se consigue decelerar esos iones y bajar su temperatura de algún modo, y transformar esa energía cinética en energía eléctrica, no veo que principio de la termodinámica se está incumpliendo. Estoy seguro que un panel solar está a menos temperatura si está funcionando que si está apagado, porque la energía que saca de la luz solar se convierte en energía eléctrica y esa energía es energía que no se ha transformado en temperatura del panel. Acaso eso incumple la termodinámica? pues habrá que cambiarla porque los paneles solares existen. y por cierto, estoy totalmente en desacuerdo con que el interior tiene que ser un foco caliente, para nada.

  19. NeoFronteras:

    Estimado Guille:
    En una célula solar el foco frío es la propia célula y el caliente el Sol (casi 6000 K). Esta “batería” o bien saca la energía de reacciones químicas, de la luz o térmicamente sólo puede funcionar si la propia pila está a una temperatura superior a la de la habitación. De otro modo no funcionaría no solamente esta pila, sino el Universo.
    Un gradiente al contrario con una pila más fría que el entorno estaría en contra del primero y del segundo principio de la Termodinámica.
    Pero hasta que estos investigadores se expliquen mejor o se replique o refute en otros laboratorios, sólo podemos especular. De ahí vienen los problemas.

  20. Guille:

    Lo siento pero no puedo aceptar lo que dice Neo. Sigue sin dar razones, simplemente dice “no puede funcionar” bueno pues yo creo que si. Ya cada cual que estudie los principios de la termodinámica y saque sus propias conclusiones.

    De todas maneras el ejemplo que pone del sol es muy malo porque no es una fuente de calor (que también), sino de emisión de fotones (y demás) y es su energía la que se transforma en energía eléctrica en la placa solar.

    Por otro lado creo que como ejemplo escalercedor está el que ya dije de las centrales geotérmicas. El foco frío esta en la superficie y saca energía de un foco más caliente que está en el centro de la tierra. En este caso el calor extraido se comunica a un fluido termodinámico que finalmente se transformará en energía mecánica en una turbina por ejemplo. Para mí el centro de la tierra es en este caso el ambiente, y la pila se encarga de sacar la energía del ambiente y transformarla en electricidad. El foco frío en vez de ser el líquido termodinámico es el interior de la pila. Y en vez de hacer pasar el fluido por una turbina y que pierda su energía interna en los álabes de la turbina ahora lo que ocurre es que los iones pierden su energía en el grafeno y éste transforma esa energía en energía eléctrica. Y de este modo funcionaría la pila (y todo el Universo). Obviamente lo que yo digo es una especulación, pero veo posible que funcione del modo que describo.

  21. NeoFronteras:

    El Sol es un buen ejemplo de foco caliente que transfiere dicho calor por radiación.
    El sistema geotérmico funciona muy bien, el foco frío es la superficie terrestre, o, en otras palabras, el resto del Universo. Ponga la batería esta de grafeno en lugar de la Tierra (en el foco caliente) y listo, tal vez funcione.
    No puede funcionar al revés porque el calor no se puede ir a un foco frío finito y esperar que no se caliente hasta el punto que deje de estar frío (y que ya no se produzca trabajo). Además, la entropía siempre tiene que crecer y lo puede hacer bien si el foco frío es grande (generalmente todo el Universo en los sistemas abiertos), no en un recinto finito.
    Si se ignoraran estos detalles no funcionaría ningún automóvil, ningún frigorífico ni el ordenador donde lee esto.
    Las academias de ciencias dejaron de leer propuestas de máquinas de movimiento perpetuo de segunda especie en el siglo XIX. La gente se empeñaba en diseñarlas, pero siempre a costa de la Termodinámica.
    De todas las ramas de la Física la Termodinámica es la más sensata de todas. Se puede argumentar que la Cuántica o la Relatividad son raras, pero la Termodinámica es el colmo de la sensatez. Dice que no hay almuerzos gratis, que no puedes ganar o tan siquiera empatar.

  22. tomás:

    Estimado Guille:
    ¡Vaya rebote que has cogido en tu 18!, y lo siento. Lo lamento primero por Neo ya que, por esas bromas mías que no todos entienden porque -y esto es un secreto a voces- soy muy mal humorista, he dicho que “él prohibe” cuando nunca lo ha hecho. Sería de mala educación y él demuestra la profundidad de la suya intentando cogernos de la mano y ayudándonos a comprender. Era una forma de trivializar y espero que así lo haya entendido. También lo siento por haberte enfadado; no era mi intención y me duele el resultado.
    Pero me felicito de que haya vuelto a manifestar su opinión, que releeré varias veces hasta integrarla en mi lógica.
    Y no te preocupes, si tú quieres que tu explicación no sea igual que la mía, pues tan amigos. Otra vez será.
    Un consolador abrazo… ¡No, perdona, que a lo peor te molesta!
    Mejor un respetuoso saludo.

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