La energía azul, que es la energía gratuita que se pierde cuando el agua de mar salada y el agua de río menos salada se encuentran y se mezclan en los estuarios, podría convertirse en una fuente importante de electricidad mundial en el futuro. La mezcla capacitiva, una técnica emergente que aprovecha el ciclo de carga y descarga de los capacitores, puede usarse para recolectar esta energía, pero optimizar los dispositivos empleados aquí no ha sido una tarea fácil. Investigadores en Francia ahora han demostrado que las simulaciones moleculares pueden predecir de manera realista la capacitancia de los dispositivos que contienen materiales de carbono nanoporoso como electrodos y agua salada como electrolito. Cuando se ejecuta a la inversa, esta técnica también es una forma eficiente de desalinizar agua en un proceso conocido como desionización capacitiva.
Tanto en la mezcla capacitiva (CapMix) como en la desionización capacitiva (CDI), los electrodos hechos de carbono nanoporoso tienen un área de superficie de contacto más grande con el electrolito, lo que aumenta la capacitancia específica del dispositivo. Los investigadores descubrieron previamente que la capacitancia de los supercondensadores (también conocidos como condensadores eléctricos de doble capa o EDLC) aumenta inesperadamente cuando el tamaño de los poros de los electrodos de carbono derivado del carburo (CDC) utilizados en estos dispositivos de almacenamiento de energía disminuye hasta el tamaño de los iones de electrolito. El problema es que estos dispositivos no se comportan como sugieren los modelos cuando el tamaño de los poros en el material alcanza este tamaño.
Descripción de la escala molecular
“Nuestro punto de partida es una descripción a escala molecular de las moléculas de agua, los iones y los electrodos de carbono nanoporosos, con una representación simplificada de las interacciones entre ellos”, explica el líder del equipo. benjamin rotenberg del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia (CNRS) y de la Sorbonne Université de París. “Tenemos en cuenta dos características importantes: la estructura compleja del material del electrodo y cómo el electrolito lo polariza cuando se aplica un voltaje entre los electrodos.
“Luego procedemos a 'experimentos numéricos' y observamos la trayectoria de cada átomo/molécula en el sistema. A partir de los datos obtenidos, calculamos propiedades que se pueden comparar directamente con los resultados experimentales, por ejemplo, la capacitancia de los dispositivos. El buen acuerdo entre ambos avala nuestro modelo”.
En el contexto de la energía azul, los investigadores se basan en dos teorías de la interfaz entre electrodos y electrolitos: las teorías de Debye-Huckël y Poisson-Boltzmann. Estos son muy útiles en muchos casos, por ejemplo, para electrodos planos o porosos con poros muy grandes. “Sin embargo, fallan en el presente caso de confinamiento extremo, en el que los efectos moleculares juegan un papel importante”, dice Rotenberg.
Descripción más simple
En cuanto a CDI, se utiliza con frecuencia otro modelo, el modelo de Donnan modificado. “Esta es una descripción aún más simple del equilibrio entre los nanoporos y el electrolito a granel”, explica Rotenberg. “Introduce parámetros efectivos que generalmente se ajustan para adaptarse a los datos experimentales.
“Si bien el uso de parámetros de la literatura para materiales similares no nos permite reproducir nuestros resultados experimentales en todas las condiciones, podemos obtener buenas predicciones ajustando los parámetros de un modelo de Donnan modificado para reproducir las simulaciones a altas concentraciones de sal de electrolitos. De esta manera, podemos extrapolar las predicciones a concentraciones de sal más bajas sin hacer ningún experimento real”.
Aunque no es ideal, los investigadores dicen que el enfoque les permite predecir bastante bien la capacitancia experimental de sus dispositivos a concentraciones de sal más bajas.
Predicción fiable de la capacitancia
“Nuestro trabajo confirma que los electrodos de carbono nanoporoso, que ya se emplean en supercondensadores para almacenar energía, son prometedores tanto para CapMix como para CDI”, dice Rotenberg. nanotechweb.org. “También demuestra que las simulaciones realistas de dinámica molecular son buenas para investigar los mecanismos fundamentales que intervienen en estos materiales. Y que las simulaciones se pueden usar para predecir de manera confiable la capacitancia, especialmente en altas concentraciones de sal”.
El equipo, que incluye a científicos de la Université de Toulouse, en el marco de la red de investigación francesa sobre almacenamiento de energía electroquímica, RS2E, dice que ahora está ocupado simulando otras sales para abordar efectos específicos de iones.
“También estamos investigando diferentes estructuras de carbono y desarrollando descripciones simples mejoradas que nos permitirán superar las deficiencias de nuestras simulaciones moleculares. Desafortunadamente, su costo computacional aún no nos permite simular el comportamiento de los electrolitos que tienen salinidades comparables a las del agua del río”.
La investigación se detalla en Revisión física X DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021024.
