Los materiales en los electrodos de las baterías de iones de litio se expanden y se contraen durante la carga y descarga. Estos cambios de volumen favorecen la fractura de las partículas, lo que acorta la vida de la batería. Un grupo de científicos de ETH junto con colaboradores de la ISP cuantifican este efecto, por primera vez, mediante el uso de películas en 3D de alta resolución grabadas mediante tomografía de rayos x en Swiss Light Source.
Las baterías de litio se encuentran en nuestros teléfonos móviles celulares, ordenadores portátiles y cámaras digitales. Existen pocos dispositivos electrónicos portátiles que no dependan de estas fuentes de energía. Actualmente los electrodos de la batería contienen materiales activos conocidos como compuestos de intercalación. Almacenan la carga en su estructura química sin sufrir un cambio estructural importante. Eso hace que estas baterías tengan comparativamente larga vida y sean seguras. Sin embargo, los materiales de intercalación tienen un inconveniente: su densidad de energía, la cantidad de energía que pueden almacenar por unidad de volumen y masa es limitada.
En la búsqueda de baterías de mayor densidad de energía, los científicos han experimentado durante más de 20 años con materiales capaces de procesos repetitivos de aleación y desaleación con litio. Experimentos a escala de laboratorio han demostrado que las baterías con este tipo de materiales tienen densidades de energía varias veces mayores que la de los materiales de intercalación, sin embargo, estos materiales de aleación aún no son explotados en la industria debido a que su tiempo de vida es limitado. Martin Ebner, Ph.D. estudiante en el Laboratorio de Nanoelectrónica en el Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica (D-TET ) explica: » su capacidad normalmente desaparece después de un par de ciclos de carga y descarga». Esto se atribuye a una masiva – hasta tres veces – expansión del material del electrodo durante la carga. Durante la descarga, se contraen los materiales de nuevo, pero no llegan a su estado original. Partículas de los electrodos se rompen, la estructura del electrodo se desintegra, y los fragmentos pierden contacto con el resto de la célula.
Baterías, rayos X durante la operación
Para entender mejor este complejo de la degradación electroquímica y mecánica del electrodo y para comprender mejor cómo desarrollar mejores baterías, Martin Ebner el profesor de ETH y Vanessa Wood, jefe del Laboratorio de Nanoelectrónica en D – ITET, reconocieron la necesidad de estudiar en una batería los electrodos de forma no invasiva durante el funcionamiento. Para ello, recurrieron a una herramienta de imagen desarrollada por el profesor Marco Stampanoni. El professsor Stampanoni, trabaja en el Instituto de Ingeniería Biomédica de D – ITET y ejecuta la tomografía de rayos X en el Swiss Light Source, la instalación sincrotrón en el Instituto Paul Scherrer. La radiación de rayos X del sincrotrón espectralmente pura e intensa permite la adquisición rápida de imágenes de rayos X de alta resolución que pueden ser computacionalmente ensambladas en películas tridimensionales.
Los investigadores observaron en el interior de la batería, cargar y descargar más de 15 horas. Se reunieron las películas únicas, tridimensionales que captan los mecanismos de degradación que ocurren en la batería y se cuantifican los procesos que ocurren dentro de cada partícula para los miles de partículas en el electrodo. Los resultados de este estudio serán publicados en la revista Science, una versión pre-print está disponible en línea en Science Express .
Cambios estructurales irreversibles
Los datos ilustran que las partículas de óxido de estaño (SnO) se expanden durante la carga debido a la afluencia de iones de litio causando un aumento en volumen de la partícula. Los científicos demuestran que el material de litiación actúa como un proceso de núcleo-corteza, progresando de manera uniforme desde la superficie de la partícula hacia el núcleo. El material al someterse a esta reacción se expande linealmente con la carga almacenada. Las imágenes de rayos X muestran que la carga destruye la estructura de las partículas de forma irreversible con las grietas que se forma dentro de las partículas. «Esto – la formación de grietas no es al azar «, enfatiza Ebner. Las grietas crecen en lugares donde la red cristalina contiene defectos preexistentes. Durante la descarga, el volumen de la partícula disminuye, sin embargo, el material no llega a su estado original de nuevo, el proceso por lo tanto no es completamente reversible .
El cambio de volumen de las partículas individuales impulsa la expansión de todo el electrodo de 50 micrómetros a 120 micrómetros. Sin embargo, durante la descarga, los electrodos sólo se contraen a 80 micrómetros. Esta deformación permanente del electrodo demuestra que el aglutinante de polímero que contiene al electrodo aún no está optimizado para los materiales de expansión de gran volumen. Esto es crítico para el rendimiento de la batería debido a la deformación del aglutinante hace que las partículas individuales que se desconectan desde el electrodo y la batería pierdan capacidad .
Además de demostrar que la microscopía tomográfica de rayos X proporciona una idea de cambios morfológicos en las partículas y los electrodos, los investigadores muestran que esta técnica también se puede utilizar para obtener información química cuantitativa y espacial. Por ejemplo, los investigadores analizan la composición química a lo largo del electrodo de la batería para observar las diferencias en la dinámica de litiación a nivel de una sola partícula y comparar esto con el comportamiento medio de las partículas. Este enfoque es esencial para la comprensión de la influencia del tamaño de partícula, forma, y la homogeneidad de electrodo en el rendimiento de la batería .
Estas ideas sobre el funcionamiento de una batería no sería posible sin la configuración de tomografía de rayos X muy avanzada en el Swiss Light Source. «La visualización de las baterías en funcionamiento era esencialmente imposible hasta los últimos avances en tomografía de rayos X. Gracias a las instalaciones de clase mundial desarrolladas por el profesor Stampanoni y su equipo, podemos ver que hace la batería en el trabajo», añade Wood con entusiasmo.
Alternativas a los materiales cristalinos
Los investigadores eligieron óxido de estaño cristalino como un material modelo porque sufre una serie de transformaciones complejas también presentes en otros materiales, lo que permite una comprensión más profunda en el comportamiento de una variedad de materiales de la batería. Las ideas son la base para el desarrollo de nuevos materiales de los electrodos y de las estructuras de electrodos que sean tolerantes a la expansión de volumen. Para el Prof. Wood los resultados de este trabajo indican el beneficio del uso de materiales amorfos o nanoestructurados en lugar de los cristalinos». En la búsqueda de nuevos materiales, también hay que tener en cuenta que sólo son de interés industrial si pueden ser producidos en grandes cantidades a un bajo costo. Sin embargo, los materiales amorfos y nanoestructurados ofrecen un campo de juego suficiente para la innovación» subraya Wood.
Más información: Ebner M, Marone F, Stampanoni M, Wood V. Visualization and quantification of electrochemical and mechanical degradation in Lithium ion batteries. Science Express, publicado en línea 17 octubre 2013.
Internet sirve tanto para difundir información fuera del control “oficial” como para propagar ideas absurdas, mitos y fantasías. Uno de los mitos más difundidos en las páginas “alternativas” y de la Nueva Era tiene que ver con la llamada“energía libre”, la obtención de energía a partir de supuestas fuentes abundantes y gratuitas, como el agua o el aire, que –dicen sus augures- está llamada a liberarnos de la dependencia de los hidrocarburos, la nuclear o incluso las renovables.
El discurso en torno a la energía libre contiene todos los ingredientes para convertirse en un bálsamo de fierabrás: es una solución fácil a un problema complejo (la crisis energética que empieza a atenazar al mundo); es democrática (cada cual puede fabricarse su energía, liberándose del yugo de codiciosas corporaciones) y, además, es gratis y abundante. Como todo mito, el de la energía libre cuenta con un héroe, Nikola Tesla, y un supervillano,Thomas A. Edison y la cohorte de eléctricas, petroleras y nucleares que quieren quedarse toda la energía para aumentar su riqueza (aunque esto último es cierto).
No sorprende que la energía libre se convierta en la piedra de toque de un mesianismo termodinámico. Desdichadamente, también es una enorme patraña. Para demostrarlo me pongo en contacto con una investigadora poco sospechosa de alineamiento con “el lado oscuro de la energía”, Margarita Mediavilla, profesora del Departamento de Ingeniería de Sistemas de la Universidad de Valladolid.
¿Existe tal cosa como la energía libre?
¿Existe la comida gratis, el trabajo sin esfuerzo? En física definimos la energía como la capacidad de realizar trabajo. La energía es el esfuerzo, lo que nos cuesta llevar a cabo ese trabajo. Si tienes energía gratis es porque alguien lo está pagando por ti.
De modo que finalmente, alguien tiene que pagar la cuenta…
Es evidente que disponer de energía gratuita y abundante es un gran afán de la Humanidad, sería el equivalente a decir que somos millonarios. Pero la vida te enseña que todo cuesta, nuestros actos tienen unas consecuencias, unas entradas y unas salidas. Es comprensible que anhelemos energía libre pero no es más que un sueño infantil.
El YouTube proliferan máquinas de movimiento continuo o bien motores propulsados por agua. ¿Has visto alguna que realmente funcione, que tenga una salida de energía superior a la entrada de combustible?
No conozco ninguna. He visto algunos inventos muy zafios, como el que desmonto en este vídeo, que era tan elemental que había que probarla.
¿Crees que existe un complot del gran capital para negarnos el acceso a esa fuente energética?
No creo que haya un complot. Si realmente hubiera una invención relativamente fácil de hacer que extrajera energía barata habría gente que la usaría, por mucho que los lobbies empresariales intentasen ocultarlo. Un buen ejemplo es el hardware libre (open source). Los “arduinos” son componentes electrónicos de código abierto y son unos aparatos a un
precio enormemente bajo y con unas prestaciones increíbles, porque no están sujetos a copyright. Están siendo una revolución. En mi laboratorio los hemos introducido este año y un equipo de prácticas que nos vendían las empresas por 2000 euros nos lo estamos fabricando con “arduinos” por 80 euros. La electrónica básica de un ordenador Arduino cuesta 30 euros.
Estos aparatos están expandiéndose como la pólvora y hacen mucho daño a intereses empresariales, pero no pueden prohibirlos, se fabrican en Italia y se venden por Internet con toda normalidad.
Si hubiera algún invento de energía gratis que funcionara y alguien lo quisiera poner al servicio de la humanidad lo patentaría con licencia Creative Commons y se difundiría de tal forma que no podrían pararlo. De hecho, si algo realmente saca energía de la nada… se tendría que ver en los vídeos, sería difícil que no se recalentasen los bobinados de los motores, que no explotase “algo” por sí mismo si es que realmente está generando mucha energía… Nunca se ven vídeos de inventos de estos de “energía libre” en los que se muevan cosas realmente pesadas, donde se levanten grandes cargas, no parece que tengan realmente mucha energía. La energía se nota.
Entrevista completa en: la informacion.com
Fuente: alvaro tapia hidalgo via photopin cc
El dispositivo, llamado Epiphany One Puck, tiene dos caras que aprovechan la temperatura de lo que depositemos encima. Una parte azul, donde pondríamos las bebidas frías y por el otro lado el rojo, donde depositaríamos las bebidas calientes. El funcionamiento del Epiphany One es mediante un principio que no es nuevo, si no que data de 1800. Mediante el principio en el que se basa el motor Stirling este práctico cargador aprovechará el calor o el frío para cargar nuestros gadgets.
Evidentemente gracias a las ventajas de la tecnología y electrónica actual es posible aprovechar el principio de contracción / expansión de Stirling y hacer que este cargador no necesite ningún tipo de alimentación externa. Tan sólo una buena bebida fría o caliente. Evidentemente para que funcione realmente bien se necesita que la bebida que pongamos se encuentre entre los dos extremos, o caliente como un te recién salido del fuego o una cerveza helada.
Página del proyecto en Kickstarter
Fuente: omicrono
El término Smart Grid aparece con frecuencia en las noticias desde hace varios años, a pesar de que la mayoría de la gente no sabe lo que es reciente pero ha ganado mucho interés últimamente. Pero eso no ha impedido que varias empresas de semiconductores tomen una posición seria en el diseño y comercialización de productos para dicha «red inteligente».
Estas compañías han establecido su presencia con los frontales y microcontroladores de medidores eléctricos y chips ZigBee para red local de área (HAN). Tres empresas han sido particularmente agresivas en este campo. las desconocidas Bloom Energy y Silver
Spring Networks y la muy conocida Maxim Integrated Products.
La red eléctrica tal y como la conocemos no ha evolucionado desde su concepción. Sin embargo, los requerimientos actuales respecto al ahorro energético y la integración de nuevos elementos en la red eléctrica, como el vehículo eléctrico o las energías renovables, requieren de la evolución de la red eléctrica tal y como la conocemos a día de hoy.
La Smart Grid es esta evolución, la idea principal es ser capaces de controlar toda la red eléctrica desde la red de alta tensión (actualmente muy monitorizada), así como la de media y baja tensión, de la cual actualmente sólo se monitoriza el 20% aproximadamente.
La primera (Oil’d) explica nuestra dependencia del petróleo, contando qué se podría haber hecho con los 205 millones de galones de petróleo (o sea, 776000 m3: 1 US gal = 3,78 litros) que se derramaron hace dos años en el Golfo de Mexico, el 20 de abril de 2010.
La otra infografía, How green is your internet?, muestra que por muy virtual que sea la información, demanda un montón de energía: los data servers tienen que estar encendidos, pero además hay que refrigerarlos; todo cuesta energía. Cada segundo de vídeo en internet supone emitir 0,2 g de CO2 a la atmósfera. Internet produce la misma cantidad de emisiones que toda la aviación, o que un país de tamaño medio, como Suecia o Argentina.
Fuente: tgacebo
Algunas de las recomendaciones comunes para reducir el consumo de energía no ahorran tanto como nos hace creer, dijo Michael Blasnik, un consultor de ciencia desde el área de Boston. Blasnik analiza y evalúa los anuncios sobre la eficiencia energética, y ha encontrado que algunos ahorros ampliamente citados no se someten a examen.
«Un montón de cosas realmente no han sido evaluadas …. Es notable cómo la investigación ha hecho poco en lo que realmente ahorra energía», dijo Blasnik.
Está dispuesto a cambiar eso. En un esfuerzo por averiguar lo que realmente funciona, lo que ha hecho es un análisis que incluye el estudio de las facturas de servicios públicos de los propietarios que participan en programas de climatización del hogar y la comparación de sus ahorros a las expectativas ofrecidas por fuentes tales como agencias gubernamentales, empresas de servicios públicos y, sí, artículos de periódicos . En el proceso, está reventando algunos de los mitos de ahorro de energía.
Eso no quiere decir que esas cosas no valen la pena. Algunos pueden hacer su hogar más limpio y más cómodo, o que puede ser importante para el mantenimiento de lo que usted posee. Y hay un argumento que se hizo que hasta los escasos ahorros se suman para el total.
Es más, Blasnik se apresura a señalar que variables tales como la forma en que vivimos, ¿cómo se construyen nuestras casas y los climas en que vivimos hacen que sea imposible llegar a las cifras exactas en todos los ámbitos.
Pero el fondo es si al llevar a cabo algunas medidas de ahorro energético con las expectativas de recortar sus facturas de energía , usted puede llegar estar decepcionado, afirmó Blasnik.
Aquí están lo que él considera algunas de las recomendaciones menos eficaces.
-Sustitución de las ventanas.
Una gran cantidad de buenos argumentos se pueden hacer para la sustitución de ventanas antiguas, con goteras. Van a hacer su hogar más cómodo. Se pueden resolver los problemas de condensación y evitar daños por humedad. Podrían aumentar el valor de reventa de su hogar.
Según Blasnik no van a pagar por sí mismos en el ahorro de energía. En un estudio en el área de Boston, se determinó que la sustitución de 15 ventanas viejas ahorraría $ 42 a $ 112 por año. Incluso en ese número más alto, que tomaría un valor de más de 62 años de ahorro de energía para pagar 7 000 dólares del coste de las ventanas.
-Tiempo de sellado de ventanas y puertas.
Ventanas de calafateo y burletes y las puertas es una mejor idea para aumentar la comodidad que el ahorro de energía. Tal vez el 20 por ciento de las fugas de aire en una casa es a través de las ventanas y puertas, menos aún en una casa nueva, más estricta. Blasnik dijo que la mayor parte de la fuga en un hogar típico es de aire que entra en el sótano, viajando a través de cavidades de la pared y escapa a través del ático.
En su investigación, las puertas de calafateo y burletes y ventanas ahorrara $ 7 a $ 28 al año. Puede merecer la pena el gasto si hace el trabajo usted mismo, pero si usted contrata a un operario para el trabajo, el periodo de recuperación puede ser largo, dijo.
-Cierre la puerta del refrigerador rápidamente.
A pesar de la insistencia de las madres de todo el mundo, de pie frente a un refrigerador abierto mientras reflexionan sobre su contenido, no hará subir la factura de electricidad.
El momento en que abres la puerta, el aire frío sale corriendo, y es una pérdida bastante trivial, dijo. La mayor parte de la frialdad del refrigerador se lleva a cabo no por el aire, sino por el contenido, y los contenidos no se calentarán de manera significativa en el tiempo que le lleva a decidir entre los restos de pizza y pastel de carne de la noche anterior.
Obviamente, dejando la puerta abierta todo el tiempo se desperdician energía, ya que su refrigerador nunca dejar de correr, Blasnik dijo. Sin embargo, el cierre de la puerta del refrigerador rápido le ahorrará un dólar de energía en un año a lo sumo, demuestran sus investigaciones.
En lugar de vigilar los hábitos de su hijo adolescente en el frigorífico, sugirió el cambio de un comportamiento que realmente gasta electricidad y dinero: poner comida en la nevera mientras aún está caliente. Usted puede abrir las puertas de los refrigeradores cientos de veces antes de que pierdas la misma energía que hacerlo poniendo un plato de sopa caliente en el refrigerador.
-Limpieza de las bobinas del refrigerador.
Las bobinas sucias, el razonamiento, que el refrigerador trabaje más duro. Su limpieza pudo haber sido un buen ahorro de energía cuando los frigoríficos se tragaban la electricidad, pero Blasnik dijo que ya no es cierto en general.
La mayoría de los refrigeradores construidos en los últimos 15 años utilizan mucha menos energía que los modelos más antiguos. Así que se puede decir que su refrigerador utiliza $ 70 en electricidad en un año. La limpieza de sus bobinas puede hacer que el frigorífico funcione un 10 por ciento más eficientemente, pero eso es un ahorro anual de sólo US $ 7, señaló.
Ahora, si usted tiene un refrigerador viejo y una casa llena de gatos, la limpieza de las bobinas bien puede merecer la pena, dijo. Ciertamente, su limpieza tiene sentido si usted quiere que su refrigerador para durar más tiempo o lo que desea es mantener la cocina limpia.
«Yo no diría, ‘No limpie las bobinas del refrigerador'», dijo Blasnik. Pero no espere ver una gran diferencia en su factura de electricidad.
-Cambiar el filtro del calefactor mensualmente.
La razón principal de los hornos que tienen filtros es para retener la suciedad del aire y no ensuciar el horno. Pero por lo menos en el caso de los filtros de bajo costo, en un horno estándar, hacen un mejor trabajo de filtrar el aire cuando están un poco sucios.
Para los filtros de alta eficiencia que hacen de trampas para alérgenos, siga las instrucciones en el filtro. Y señala que es importante empezar la temporada de aire acondicionado con un filtro limpio, porque el aire acondicionado necesita flujo de aire adecuado. Pero por lo demás, piensa que cambiar el filtro de la calefacción una vez por temporada es suficiente.
Eso no significa que usted nunca tendrá que cambiar el filtro. Un filtro que se tapa con tierra restringirá el flujo de aire, y eso hará que su sistema de calefacción funcione menos eficientemente.
-Desconectando los cargadores de teléfonos móviles celulares.
Usted probablemente ha escuchado acerca de la energía vampiro, que es la electricidad que se consume incluso cuando los dispositivos estén apagados o no están operando activamente (standby). Eso fue un problema de cinco o 10 años y sigue siendo con algunos dispositivos, según Blasnik, pero en muchos casos los fabricantes han reducido en gran medida el uso de energía.
Blasnik dijo que los cargadores actuales utilizan una cantidad pequeña de electricidad inmediblemente cuando no están cargando los teléfonos – «en el rango de los centavos de dólar por año», dijo. Así que dejándolo enchufado cuando no está en uso no se su excede en su presupuesto de energía.
-Cierre las cortinas por la noche.
Cierre las ventanas tales como cortinas y persianas por la noche puede hacer que se sienta más cómodo, ya que desviar el flujo de aire frío. Pero Blasnik dijo que con los tratamientos de ventanas estándares, el aire aún pasa. Si desea tratamientos de ventana para agregar valor aislante, es necesario invertir en el tipo de sellado que se hacen con ese fin, dijo.
Por otro lado, la apertura de cortinas y persianas en los días soleados no ahorrara algo de energía, dijo.
-Ajuste del horno cada año.
El ahorro energético anual de la puesta a punto de un horno de gas es mínimo – en cualquier lugar de nada a 42 dólares, según una investigación de Blasnik.
La puesta a punto de un horno de gas tiene sus ventajas, dijo, no menos de la que se reduce la probabilidad de un fracaso. Y los controles de mantenimiento del horno son también importantes para la seguridad de su familia.
Blasnik, sin embargo, sostiene que los controles anuales son excesivos. Piensa que cada tres a cinco años es suficiente.
Fuente: PHYSORG.com
En los hogares españoles hay una media de 22,8 bombillas, de las cuales 8,3 son todavía de las tradicionales incandescentes, 7 de bajo consumo, 6,1 halógenas, 1,3 fluorescentes y 0,01 LED. Este es uno de los muchos resultados arrojados por un nuevo estudio del IDAE, en colaboración con Eurostat, sobre el consumo energético de los 17 millones de viviendas habitadas en España. El trabajo (basado en 9 000 entrevistas y en mediciones reales en 600 casas) ha durado 18 meses y es el más completo realizado sobre el sector residencial del país. Entre los datos más llamativos destaca que las viviendas unifamiliares duplican de media el consumo energético de los pisos o que dejar los aparatos eléctricos apagados en modo espera (standby) supone un gasto de 231 kWh al año, casi tanto como el consumo medio anual del lavavajillas (246 kWh) y bastante más que el del ordenador (172 kWh).
Los investigadores, por primera vez, han mostrado que la eficiencia energética de los ordenadores se duplica aproximadamente cada 18 meses.
La conclusión, respaldada por seis décadas de datos, refleja la ley de Moore, debido a observación del fundador de Intel Gordon Moore de que el poder de procesamiento del equipo se duplica cada 18 meses. Sin embargo, la tendencia de consumo de energía podría tener una mayor relevancia que la ley de Moore en dispositivos como, teléfonos, tabletas, y los sensores, que han proliferado recientemente.
En julio, Koomey dio a conocer un informe que mostró, entre otras conclusiones, que la electricidad utilizada en los centros de datos en todo el mundo aumentó en un 56 por ciento entre 2005 2010, una tasa mucho más baja que la duplicación que se observa desde 2000 a 2005.
Mientras que una mayor eficiencia energética juega un papel importante en este cambio, el total de la electricidad utilizada en los centros de datos era menor que el previsto para 2010 debido en parte a que un menor número de servidores se instalaron frente a lo esperado, debido a las tecnologías como la virtualización, que permite a los sistemas existentes para ejecutar más programas al mismo tiempo. Koomey señala que los ordenadores del centro de datos rara vez funcionan a máxima potencia. La mayoría de los ordenadores son, de hecho, «tremendamente infrautilizados», afirmó.
Para Koomey, el aspecto más interesante de la tendencia es pensar en las posibilidades de la informática. Los límites teóricos están todavía muy lejos. En 1985, el físico Richard Feynman analizó las necesidades de electricidad para las computadoras y se estima que la eficiencia teóricamente podría mejorar en un factor de cien mil millones antes de que llegara un límite, con exclusión de las nuevas tecnologías como la computación cuántica. Desde entonces, la mejora de eficiencia han sido alrededor de 40000. «Hay que ir muy lejos», dice Koomey. «Está sólo limitado por nuestra inteligencia, no por la física.
Ampliar información en: technology review MIT
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Fuente: ST-Ericsson