Reimaginar el diseño de una pila olvidada de Thomas Edison
Las proteínas de la carne de vacuno revolucionan las pilas
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Un dato poco conocido: en el año 1900, los coches eléctricos superaban en número a los de gasolina en las carreteras estadounidenses. La batería de plomo-ácido de la época, cortesía de Thomas Edison, era cara y sólo tenía una autonomía de unos 50 kilómetros. En su afán por mejorarla, Edison creyó que la batería de níquel-hierro era el futuro, con la promesa de una autonomía de 160 km, una larga vida útil y un tiempo de recarga de siete horas, rápido para la época.
Una ilustración simboliza la nueva tecnología de las pilas: Las proteínas (rojas) contienen pequeños grupos de metales (plateados). Cada bola amarilla de las estructuras del centro representa un átomo de níquel o hierro.
Maher El-Kady/UCLA
Desgraciadamente, esa promesa nunca llegó a materializarse. Las baterías de los primeros coches eléctricos seguían adoleciendo de graves limitaciones, y los avances del motor de combustión interna se impusieron.
Ahora, una colaboración internacional de investigación codirigida por la UCLA ha tomado ejemplo de Edison y ha desarrollado una tecnología de baterías de níquel-hierro que puede ser muy adecuada para almacenar la energía generada en parques solares. El prototipo fue capaz de recargarse en cuestión de segundos, en lugar de horas, y logró más de 12.000 ciclos de vaciado y recarga, el equivalente a más de 30 años de recargas diarias.
La tecnología se construyó a partir de minúsculos grupos de metal modelados mediante proteínas que luego se unieron a un material bidimensional, formado por láminas de sólo un átomo de grosor. A pesar de sus innovadores ingredientes, las técnicas son aparentemente sencillas y baratas.
"La gente suele pensar que las herramientas nanotecnológicas modernas son complicadas y de alta tecnología, pero nuestro método es sorprendentemente sencillo y directo", afirma Maher El-Kady, coautor del estudio e investigador adjunto del departamento de química y bioquímica de la Facultad de Química de la UCLA. "Sólo estamos mezclando ingredientes comunes, aplicando pasos suaves de calentamiento y utilizando materias primas que están ampliamente disponibles".
El estudio se publicó en la revista Small y aparece en la contraportada.
Baterías ayudadas por la biología
El mundo natural proporcionó algunas pistas a los investigadores. Especialmente interesante fue el proceso por el que los animales forman sus huesos y los moluscos sus duras carcasas exteriores. Tanto si los esqueletos son interiores como exteriores, están formados por proteínas que actúan como andamios para recoger compuestos a base de calcio.
Los investigadores trataron de imitar este mecanismo para generar sus minúsculos cúmulos de níquel o hierro, según el coautor Ric Kaner, distinguido catedrático de Química y Bioquímica de la Facultad de UCLA y de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela Samueli de Ingeniería de UCLA.
"Nos inspiramos en la forma en que la naturaleza deposita este tipo de materiales", explica Kaner, titular de la Cátedra Dr. Myung Ki Hong de Innovación en Materiales y miembro del Instituto de Nanosistemas de California de la UCLA. "Colocando los minerales de la forma correcta se construyen huesos fuertes, pero lo bastante flexibles para no ser quebradizos. Cómo se hace es casi tan importante como el material utilizado, y las proteínas guían cómo se colocan".
En el estudio, el equipo utilizó proteínas que son subproductos de la producción de carne de vacuno. Las moléculas sirvieron de plantillas para hacer crecer grupos de níquel para los electrodos positivos y de hierro para los negativos. Los recovecos de la estructura plegada de la proteína limitaron el tamaño de los grupos metálicos a menos de 5 nanómetros. Es tan pequeño que se necesitarían entre 10.000 y 20.000 grupos para igualar la anchura de un cabello humano. Los investigadores detectaron incluso átomos individuales de hierro y níquel en sus electrodos.
Las proteínas se combinaron con óxido de grafeno, un material 2D ultrafino que se presenta en láminas de un solo átomo de grosor compuestas por carbono decorado con átomos de oxígeno. Aunque el oxígeno puede crear obstrucciones que hacen que el material actúe más como aislante, el proceso que siguió lo cambió todo.
Los ingredientes se sobrecalentaron en agua y luego se hornearon a alta temperatura, lo que provocó que las proteínas se carbonizaran en el carbono, eliminando el oxígeno del material 2D e incrustando los minúsculos grupos metálicos guiados por las proteínas. La estructura resultante fue un aerogel, compuesto por casi un 99% de aire en volumen.
La superficie como superpotencia
Parte de la salsa secreta de la tecnología es la superficie: cuanto más expuesta, más espacio para que se produzcan las reacciones que subyacen a la química de las baterías.
La delgadez del aerogel de grafeno y el exceso de espacio vacío proporcionaron mucho espacio. Y la delgadez de los nanoclusters metálicos aprovecha un principio matemático fundamental: a medida que los objetos se hacen más pequeños, el tamaño de la superficie exterior expuesta aumenta mucho más que el volumen.
"A medida que pasamos de partículas más grandes a estos minúsculos nanoclusters, la superficie aumenta drásticamente", explica El-Kady. "Es una gran ventaja para las baterías. Cuando las partículas son tan pequeñas, casi todos los átomos pueden participar en la reacción. Así, la carga y la descarga son mucho más rápidas, se puede almacenar más carga y toda la batería funciona de forma más eficiente".
Perspectivas de futuro y próximos pasos
A pesar de sus ventajas en cuanto a velocidad de carga y durabilidad, esta iteración de la tecnología no alcanza la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio actuales. Los investigadores creen que esta batería del futuro, inspirada en la de Edison, podría aplicarse algún día en otros campos.
Por ejemplo, la rapidez de carga, el alto rendimiento y la gran resistencia de la tecnología sugieren que es adecuada para almacenar el exceso de electricidad generada en parques solares durante el día, para alimentar la red por la noche. También puede ser útil como energía de reserva en centros de datos.
"Como esta tecnología podría prolongar la vida útil de las baterías durante décadas, podría ser ideal para almacenar energía renovable o tomar rápidamente el relevo en caso de apagón", afirma El-Kady. "Esto eliminaría las preocupaciones por el coste cambiante de las infraestructuras".
Los investigadores están estudiando el uso de su técnica de fabricación de nanoclusters con otros metales. También están estudiando posibles sustitutos de las proteínas bovinas, como polímeros naturales más abundantes y, por tanto, menos caros y más fáciles de ampliar para su futura fabricación.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Habibeh Bishkul, Abolhassan Noori, Mohammad S. Rahmanifar, Nasim Hassani, Mehdi Neek‐Amal, Junlei Liu, Cheng Zhang, Maher F. El‐Kady, Nahla B. Mohamed, Richard B. Kaner, Mir F. Mousavi; "Protein‐Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis"; Small, Volume 21, 2025-8-30
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