updated 10:44 PM CEST, Sep 29, 2016

Convierten floraciones de algas nocivas en electrodos de batería de alto rendimiento

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transformación de algas tóxicas en baterías de alto rendimiento

Electrodos "verdes" para el almacenamiento de sodio reversible en baterías de Na-ion

En agosto pasado las floraciones estacionales de algas nocivas (HABs) en el lago Erie crecieron tan extremadamente que envenenaron el sistema de agua en Toledo, Ohio, dejando a casi medio millón de residentes sin agua potable. Pero en aquel momento unos pocos investigadores recogieron algunas de las HABs tóxicas y ahora han demostrado que, por calentamiento en gas argón a temperaturas de 700 a 1000°C, los HABs se pueden convertir en un material llamado "carbono duro" que puede ser utilizado como electrodos de alta capacidad y de bajo costo para las baterías de iones de sodio (Na-ion).

Los investigadores, dirigidos por el ingeniero ambiental Dr. Da Deng en la Universidad Estatal de Wayne en Detroit, han publicado un artículo sobre el uso de floraciones de algas nocivas para el almacenamiento de energía electroquímica en una edición reciente de Environmental Science & Technology.

"Floraciones de algas nocivas, causadas por cianobacterias (o también llamadas "algas azul-verde"), son una grave amenaza para los seres humanos, el ganado y la fauna silvestre, que los lleva a la enfermedad y a veces incluso a la muerte", dijo Deng. "La crisis del agua de 2014 en Toledo causada por las HABs en el lago Erie es un claro ejemplo de su poderoso y destructivo impacto. Las tecnologías existentes para mitigar HABs se consideran una tecnología "pasiva" y tienen ciertas limitaciones. Sería significativo y de amplio impacto en nuestra sociedad y en el medio ambiente si pudieran ser desarrolladas tecnologías alternativas para convertir las floraciones de algas nocivas en productos de alto valor funcional".

el Dr. Deng recogiendo algas nocivas en el lago Eire

Como explicó Deng, uno de esos productos de alto valor pueden ser electrodos para baterías de iones de sodio (Na-ion), que tienen el potencial de reemplazar a las baterías de iones de litio (Li-ion) que se usan predominantemente.

"Hemos demostrado la conversión de las HABs recién extraídas del lago Erie cerca de Toledo en electrodos de alto rendimiento para las baterías de iones de sodio", dijo. "Lo llamamos un enfoque "trash-to-treasure (basura para atesorar)". Esta tecnología podría ser prometedora para mitigar las HABs y superar sus amenazas ambientales y proporcionar electrodos "verdes" para el almacenamiento de sodio reversible en las baterías de Na-ion".

Como explicó Deng, la tecnología de baterías Na-ion están todavía en su infancia en comparación con las baterías de Li-ion. Uno de los retos en el desarrollo de baterías de iones de sodio es encontrar un material de electrodo fiable. Mientras que a menudo se utiliza el grafito en los electrodos de baterías de Li-ion, las más grandes de iones de sodio no caben tan bien en la estructura de grafito como hacen las pequeñas de iones de litio. En su lugar, los iones de sodio encajan mejor en carbono duro, que es más desordenado que el grafito y contiene un mayor número de grandes defectos y huecos que pueden almacenar los iones Na más grandes.

El carbono duro es a menudo derivado del petróleo, pero también se puede hacer a partir de biomasa. Este estudio es la primera vez que las HABs (específicamente las algas verde-azules) se han convertido directamente en carbono para las baterías de iones de sodio. Las HABs tienen ventajas en cuanto a que crecen rápidamente y no requieren tierra o suelo. Y como los investigadores mostraron aquí, las HABs pueden ser fácilmente convertidas en carbono duro por tratamiento térmico simple, sin la necesidad de purificación u otros procesos adicionales.

transformación de algas toxicas en carbono duro

Después de calentar las algas, los investigadores hicieron los electrodos con una mezcla de 80% de carbono duro derivado de las algas, 10% de carbono negro (para mejorar la conductividad) y 10% de aglutinante. Después de secar esta suspensión durante la noche, las juntaron en células del grosor del papel moneda con sodio como contraelectrodo. Las pruebas mostraron que los electrodos comienzan con una alta capacidad de hasta 440 mAh/g, pero sufren de una pérdida irreversible de capacidad después del primer ciclo, con lo que la capacidad queda hasta aproximadamente 230 mAh/g. Los electrodos entonces tienen buena capacidad de retención del segundo ciclo en adelante. Los investigadores también encontraron que algunos factores de rendimiento, incluida la capacidad y estabilidad, dependen de la temperatura a la que se calentaron las algas, lo que apunta a una forma de mejorar su rendimiento en el futuro.

"Nuestra investigación futura se centrará en la optimización del rendimiento electroquímico del carbono derivado de HABs en las baterías de iones de sodio", dijo Deng. "Vamos a tratar de abordar la cuestión de la pérdida de capacidad irreversible en el primer ciclo en las baterías de iones de Na. También estamos interesados ​​en el desarrollo de métodos para la recolección a gran escala de las HABs y el estudio de sus implicaciones en el ecosistema".

En general, los investigadores explican que este proceso de conversión de "basura para atesorar" aborda dos problemas a la vez: la mitigación del problema de las HABs en los lagos de agua dulce, y la prestación de un material de electrodo útil para las baterías de iones de Na, que tienen una gran ventaja potencial de costos sobre las baterías de iones de litio. Para ilustrar esto, los investigadores señalan que las baterías de iones de litio costaban en 2014 alrededor de $ 410 por kilovatio-hora (kWh), mientras que el precio medio de venta de la electricidad en los EE.UU. es de unos 10 centavos de dólar por kWh. Porque el sodio es mucho más abundante que el litio se espera que las baterías de iones de Na reduzcan en gran medida este costo en el futuro.

Artículo científico: Trash to Treasure: From Harmful Algal Blooms to High-Performance Electrodes for Sodium-Ion Batteries