Un estudio reveló cómo la ceniza de la cáscara de arroz podría resolver puntos claves de esta tecnología: capacidad de almacenamiento y, desde ya, autonomía.
Una inspección más minuciosa de las cenizas de cáscaras de arroz quemadas, la dura capa exterior de los granos de arroz, reveló una forma de carbono que podría casi duplicar la densidad energética de las baterías típicas de iones de litio o de sodio.
Esta fuente sostenible de carbono “duro”, que supera al grafito ordinario en los electrodos de las baterías, fue descubierta en la Universidad de Michigan.
Se trata de la primera demostración de carbono duro fabricado mediante combustión. Antes se creía que el carbono duro sólo podía fabricarse calentando biomasa, como residuos agrícolas, a unos 1.200 °C (2.200 °F) en un entorno sin oxígeno, como nitrógeno o argón.
En lugar de importar grafito de China o México, la ceniza de cáscara de arroz podría proporcionar un material más accesible y de mayor calidad para fabricar electrodos de baterías. El proceso también es más sostenible que la producción de grafito a partir de biomasa, que debe calentarse a 2.000 °C (3.600 °F) o más, produciendo entre cinco y diez toneladas de CO2 por cada tonelada de grafito para baterías.
Aunque la mayoría de las cáscaras de arroz acaban en la basura, su combustión proporciona una fuente de electricidad neutra en carbono. Wadham Energy LP, en el valle de Sacramento (California), genera 200.000 megavatios-hora de electricidad al año quemando este subproducto agrícola, energía suficiente para abastecer a unos 22.000 hogares.
“El CO2 liberado al quemar cáscaras de arroz procede del mismo CO2 que la planta absorbió de la atmósfera durante la fotosíntesis, lo que hace que la electricidad producida sea verde y neutra en carbono”, explica Richard Laine, catedrático de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y Ciencia e Ingeniería Macromolecular de la UM y autor correspondiente del estudio publicado recientemente en Advanced Sustainable Systems.
“En Estados Unidos se cultivan anualmente unos seis mil millones de kilos de arroz, por lo que hay mucho margen para ampliar la producción”, remarca.
En trabajos anteriores, el equipo de investigación demostró métodos para eliminar parcialmente el sílice de la ceniza de la cáscara de arroz, que contiene aproximadamente un 90% de sílice y un 10% de carbono. Ese sílice puede utilizarse para producir silicio de gran pureza utilizado en células solares o semiconductores.
Una vez eliminado parcialmente el sílice de la ceniza de cascarilla de arroz mediante un proceso llamado despolimerización, la ceniza restante contiene entre un 60% y un 70% de carbono.
Se pensaba que el carbono sobrante era amorfo, un material sin forma y desorganizado, a juzgar por los patrones creados por los rayos X al atravesar el material. Sin embargo, las técnicas de espectroscopia especializadas en detalles moleculares revelaron la existencia de diminutos islotes de grafito a escala nanométrica (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) dentro de la matriz de carbono amorfo. Esta mezcla de carbono amorfo salpicado de grafito se denomina carbono duro.
“En este caso, el carbono duro se puede producir por combustión porque, al quemar el carbono de la cáscara de arroz, se crea una cáscara de sílice alrededor del carbono restante y se hornea como un pastel”, explica Laine.
Cuando se probaron las propiedades electroquímicas del carbono duro obtenido de la ceniza de cáscara de arroz, éste superó tanto al carbono duro comercial como al grafito como ánodo de una batería de iones de litio, el punto por donde sale la carga de la batería.
Un gramo de carbono duro comercial admite litio suficiente para almacenar unos 500 miliamperios-hora (mAh), unidad de carga eléctrica que suele utilizarse para describir la capacidad de almacenamiento de una batería. En cambio, un gramo de grafito acepta unos 370 mAh, lo que significa que las baterías de carbono duro tienen una densidad energética un 50% mayor.
El carbono duro de ceniza de cáscara de arroz supera a ambos, con una capacidad de almacenamiento de más de 700 mAh, casi el doble que la del grafito. Se cree que la estructura nanoporosa del carbono duro aislado contribuye a aumentar la capacidad de litio.
Al convertir los residuos agrícolas en un producto valioso, el carbono duro de ceniza de cáscara de arroz puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos y para almacenar energía renovable intermitente, reduciendo al mismo tiempo los costes y las emisiones.
El grafito utilizado actualmente se obtiene principalmente de China y México. Sin embargo, el arroz es el alimento más consumido del mundo, base nutricional de Asia, el continente más poblado de todo el planeta con más de 4.463 millones de habitantes.
El equipo ha solicitado la protección de la patente con la ayuda de U-M Innovation Partnerships y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado. El Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania) también participó en esta investigación a través del coautor Sylvio Indris. Wadham Energy suministró la ceniza de cáscara de arroz utilizada en la investigación.
El proceso se estudió en parte en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan. Los trabajos de la Universidad de Michigan fueron financiados principalmente por la National Science Foundation y Mercedes-Benz Research & Development North America.
