Una inspección más detallada de las cenizas de las cáscaras de arroz quemadas, la capa exterior dura de los granos de arroz, reveló una forma de carbono que podría casi duplicar la densidad energética de las típicas baterías de iones de litio o de iones de sodio.
por la Universidad de Michigan
Esta fuente sostenible de carbono “duro”, que supera al grafito común en los electrodos de batería, fue descubierta en la Universidad de Michigan.
Esta es la primera demostración de que el carbono duro se puede obtener mediante combustión. Antes se creía que el carbono duro solo se podía obtener calentando biomasa, como los desechos agrícolas, a unos 1200 °C (2200 °F) en un entorno sin oxígeno, como nitrógeno o argón.
En lugar de importar grafito extraído de China o México, las cenizas de cáscara de arroz podrían proporcionar un material nacional de mayor calidad para fabricar electrodos de baterías. El proceso también es más sostenible que producir grafito a partir de biomasa, que debe calentarse a 2000 °C (3600 °F) o más, lo que produce de cinco a diez toneladas de CO2 por cada tonelada de grafito apto para baterías.
Aunque la mayor parte de las cáscaras de arroz terminan en vertederos, su quema proporciona una fuente de electricidad sin emisiones de carbono . Wadham Energy LP, en el valle de Sacramento (California), genera 200.000 megavatios-hora de electricidad al año quemando el subproducto agrícola, energía suficiente para abastecer a unos 22.000 hogares.
«El CO2 liberado al quemar cáscaras de arroz proviene del mismo CO2 que la planta de arroz absorbió de la atmósfera durante la fotosíntesis, lo que hace que la electricidad producida sea ecológica y neutral en carbono», dijo Richard Laine, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular de la UM y autor correspondiente del estudio publicado recientemente en Advanced Sustainable Systems .
Con aproximadamente 20 mil millones de libras de arroz cultivadas anualmente en los Estados Unidos, hay mucho espacio para ampliar la producción.
En trabajos anteriores, el equipo de investigación demostró métodos para eliminar parcialmente la sílice de las cenizas de cáscara de arroz, que contienen aproximadamente un 90 % de sílice y un 10 % de carbono. Esa sílice se puede utilizar para producir silicio de alta pureza que se utiliza en células solares o semiconductores. Una vez que la sílice se elimina parcialmente de las cenizas de cáscara de arroz mediante un proceso llamado despolimerización, las cenizas restantes están compuestas por aproximadamente un 60 % a un 70 % de carbono.
Se pensaba que el carbono sobrante no tenía forma y estaba desorganizado, un material llamado carbono amorfo, basándose en los patrones que forman los rayos X que lo atraviesan. Sin embargo, las técnicas de espectroscopia especializadas en detalles a nivel molecular revelaron pequeñas islas de grafito que existen a escala nanométrica (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) dentro de la matriz de carbono amorfo. Esta mezcla de carbono amorfo salpicada de grafito se llama carbono duro.
«En este caso, se puede producir carbono duro mediante combustión porque al quemar el carbono de las cáscaras de arroz, se crea una capa de sílice alrededor del carbono restante y lo hornea como un pastel», dijo Laine.
Al probar las propiedades electroquímicas del carbono duro obtenido de las cenizas de cáscara de arroz, superó tanto al carbono duro comercial como al grafito como ánodo de una batería de iones de litio, el punto donde la carga sale de la batería.
Un gramo de carbón duro comercial acepta suficiente litio para almacenar alrededor de 500 miliamperios-hora (mAh), una unidad de carga eléctrica que se utiliza a menudo para describir la capacidad de almacenamiento de la batería. En cambio, un gramo de grafito acepta alrededor de 370 mAh, lo que significa que las baterías de carbón duro tienen una densidad energética un 50% mayor. El carbón duro de ceniza de cáscara de arroz supera a ambos, con una capacidad de almacenamiento de más de 700 mAh, casi el doble de la del grafito.
Se cree que la estructura nanoporosa del carbono duro aislado contribuye al aumento de la capacidad de litio.
Al convertir los desechos agrícolas en un producto valioso, el carbono duro de la ceniza de cáscara de arroz puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de baterías para su uso en vehículos eléctricos y para almacenar energía renovable intermitente, al tiempo que reduce tanto los costos como las emisiones.
El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de UM Innovation Partnerships y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado. El Instituto Tecnológico de Karlsruhe en 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.
Más información: Mengjie Yu et al, Una fuente inesperada de carbono duro, la ceniza de cáscara de arroz, proporciona capacidades inesperadas de almacenamiento de Li+, Advanced Sustainable Systems (2024). DOI: 10.1002/adsu.202400667
