Una batería de azúcar es un tipo de biobatería recientemente inventado que es alimentada por maltodextrina y facilitada por los catalizadores enzimáticos .
La batería de azúcar genera corriente eléctrica por oxidación de la unidad de glucosa de la maltodextrina . La oxidación del compuesto orgánico produce dióxido de carbono y corriente eléctrica. Se colocan 13 tipos de enzimas en la batería para que la reacción se complete y convierta la mayor parte de la energía química en energía eléctrica . Los resultados experimentales han demostrado que la batería de azúcar de la misma masa puede almacenar al menos dos veces, hasta diez veces más energía eléctrica que la batería tradicional de iones de litio.lata. Se espera que la batería de azúcar sea el próximo tipo general de fuente de energía eléctrica móvil y la posible fuente de energía para los automóviles eléctricos . Pero el voltaje de salida de la batería de azúcar (0,5 V) es más bajo que el de la batería de iones de litio (3,6 V), lo que hace que su potencia eléctrica (la tasa de transferencia de energía eléctrica) sea baja.
Sony , una corporación japonesa, publicó por primera vez la teoría de la batería de azúcar en 2007. Un equipo de investigación dirigido por el Dr. YH Percival Zhang en Virginia Tech proporcionó la última versión en 2014.
Historia
Sony , una corporación japonesa, publicó por primera vez la teoría de la batería de azúcar en 2007. Este tipo de batería de azúcar respira aire y utiliza el oxígeno como agente oxidante . La batería alcanzó la alta densidad de energía esperada y un voltaje de salida razonable. Luego, la compañía cambió su dirección de investigación en 2012 a la batería de papel , que utiliza papel como combustible. Después de 2013, Sony no dio a conocer más información sobre su proyecto de investigación sobre la batería biológica . [1] [2]
Un equipo de investigación dirigido por el Dr. YH Percival Zhang en Virginia Tech inició el proyecto de la batería de azúcar en 2009. El equipo se centró primero en la conexión con la economía del hidrógeno . En 2014, publicaron su investigación sobre la batería de azúcar que utiliza enzimas en la oxidación. Este tipo de batería de azúcar alcanzó una alta densidad energética . Se esperaba que la batería de azúcar se realizara en una aplicación en 3 años. [3] [4]
En 2017, el Dr. YH Percival Zhang fue arrestado por el FBI (fue liberado en 2019). El gobierno federal acusó al Dr. Zhang de más de veinte cargos. El Dr. Zhang luego renunció a su puesto en Virginia Tech. Desde entonces, Virginia Tech dejó de publicar el resultado del estudio de la batería de azúcar.
En 2019, el Dr. Zhang fue absuelto de 19 cargos, pero declarado culpable de conspirar para cometer fraude de subvenciones federales. [5]
Desde 2014, varias universidades chinas, incluidas la Universidad de Zhejiang y la Universidad de Tianjin , comenzaron a trabajar en investigaciones sobre la batería de azúcar.
Beneficios potenciales
En comparación con la batería de iones de litio ampliamente utilizada en la actualidad , la batería de azúcar tiene beneficios potenciales en muchos aspectos.
Seguridad
En comparación con la batería de iones de litio tradicional, la batería de azúcar no requiere metales tóxicos para su fabricación y solo libera gases de dióxido de carbono. La producción de la batería de iones de litio estándar requeriría varios metales, incluidos, entre otros, plomo (Pd), cadmio (Cd) y cromo (Cr). La fuga de estos metales se acumula dentro de los vegetales y animales de los que dependen los humanos y finalmente llega a los humanos. [6] Además, el sobrecalentamiento puede hacer que la batería de iones de litio libere hasta 100 tipos de gases nocivos al cuerpo humano. En algunos casos, la batería recargable de iones de litio explota y causa una víctima física.
Disponibilidad de combustible
El combustible principal de la batería de azúcar, la maltodextrina , puede derivarse enzimáticamente de cualquier almidón, como el maíz y el trigo. [7] Por tanto, la maltodextrina es renovable. Por el contrario, el bloque de construcción principal de la batería de litio , el carburo de litio , es un compuesto no renovable que se encuentra naturalmente en la tierra. Para obtenerlo, los fabricantes necesitan minar, extraer y purificar. [8]
Amabilidad del medio ambiente
Los productos de la reacción de oxidación dentro de la batería de azúcar son principalmente agua, dióxido de carbono y trifosfato de adenosina reciclable (ATP). Mientras que la eliminación de baterías de litio produce metales pesados que contaminan el suelo. Según los experimentos de campo, varias especies vegetales extraen los metales pesados del suelo y almacenan metales concentrados en su interior. El dióxido de carbono producido por la batería de azúcar no contribuye a la crisis de los gases de efecto invernadero , porque la batería de azúcar utiliza biocombustible que es carbono neutral . Dado que la producción de combustibles implica la fotosíntesis de las plantas, que elimina el dióxido de carbono de la atmósfera, el nuevo gas de efecto invernadero liberado se cuenta como una huella de carbono neta cero . [9] [10]
Alta densidad de energía
La reacción de oxidación completa de la glucosa unitaria en una solución de maltodextrina al 15% permite que la batería de azúcar tenga una densidad de energía de 596 Ah kg −1 , que es aproximadamente dos veces mayor que la de la batería de iones de litio ampliamente utilizada (~ 270 Ah kg - 1 ). En la aplicación, esto significa que la vida útil de la batería aumenta. Alternativamente, la masa y el volumen de la batería se reducen. [4]
Inconvenientes
Como idea recién inventada, la batería de azúcar aún no está bien desarrollada. Tiene varios inconvenientes en el estado actual.
Voltaje relativamente bajo
Aunque el voltaje de salida de la batería de azúcar (0,5 V) supera al de las antiguas baterías de combustible enzimático mediante el uso de varios catalizadores enzimáticos, sigue siendo mucho más bajo que el de la batería de iones de litio de uso común (3,6 V). [3] Eso resulta en poca energía eléctrica . En la aplicación, significa que la batería de azúcar tarda más en cargar el aparato que la batería de iones de litio.
Requerimiento de agua
La producción del combustible de la batería de azúcar y la reacción dentro de la batería de azúcar requieren agua para completarse. Si la batería se va a utilizar ampliamente en todo el mundo, indudablemente requerirá una cantidad considerable de agua. En las condiciones actuales, la consecuencia será una intensificación adicional de la escasez de agua . [11]
Diseño
El diseño de la batería de azúcar se basa en la teoría de la celda primaria . Los componentes principales de una batería de azúcar son un ánodo , un cátodo , una membrana y una vía sintética. La reacción de oxidación ocurre en el lado del ánodo donde se oxida el combustible, maltodextrina . Los electrones se liberan del combustible y pasan a través del cable conectado al cátodo, formando una corriente eléctrica continua . Los aparatos eléctricos se instalan entre el ánodo y el cátodo para que la corriente eléctrica alimente el aparato. [4]
Ánodo
La reacción redox que produce la corriente eléctrica ocurre en la vía sintética, donde 13 enzimas , como la glucosa 6-fosfato y la fosfoglucomutasa , actúan como catalizadores (la sustancia que es tanto reactivo como producto ). El combustible, la maltodextrina , se divide de polímero a monómero y luego se oxida en iones de dióxido de carbono e hidrógeno durante cuatro reacciones. Las reacciones involucran a los catalizadores enzimáticos, pero dado que actúan tanto como reactivo como producto, la cantidad de enzimas no disminuye al final para que puedan seguir facilitando la reacción. Al final de la reacción, una unidad de glucosa y una cierta cantidad de agua pueden producir 24 electrones. Luego, los electrones fluyen hacia el cátodo a través del cable, lo que provoca una corriente eléctrica que fluye desde el cátodo al ánodo. [4] [9]
Vía sintética
La vía sintética está compuesta por 13 enzimas para asegurar que la reacción redox se complete (es decir, 24 electrones producidos por unidad de glucosa). Al agregar todas estas enzimas catalíticas a la vía, la ecuación química general es la siguiente:
- [4]
Teóricamente, una unidad de glucosa de maltodextrina (C 6 H 10 O 5 ) genera 24 electrones, lo que hace que la densidad de corriente máxima de la batería de azúcar sea un 35% mayor que la densidad de corriente máxima de un sistema similar basado en 2 deshidrogenasas . [4] En la práctica, los investigadores de Virginia Tech miden la eficiencia de faraday (el porcentaje de la producción medida frente a la producción teórica) de la reacción redox de la batería de azúcar. El resultado fue 97,6 ± 3,0% en condiciones libres de oxígeno para el compartimento del ánodo, lo que sugiere una alta eficiencia en la transmisión de electrones. [4]
A diferencia de la vía natural, que utiliza enzima dependiente de NADP ( nicotinamida adenina dinucleótido fosfato ), la vía sintética utiliza otras enzimas citosólicas para mediar en la reacción. Como resultado, la batería de azúcar no depende del uso de compuestos químicos orgánicos complejos (por ejemplo, trifosfato de adenosina ), que son costosos e inestables. [4] [3]
Mejoras
Los investigadores desarrollaron el diseño de la batería de azúcar a partir de las celdas de combustible enzimáticas prototipo , que utilizan enzimas como catalizadores en la reacción redox . Basado en el diseño de pilas de combustible enzimáticas regulares, la batería de azúcar emplea varios métodos para ampliar el efecto producido por las enzimas de modo que se mejore la eficiencia general de la batería.
Enzimas no inmovilizadas
Las enzimas en la batería de azúcar ya no están fijadas al electrodo ni atrapadas en un espacio limitado cerca del electrodo. Las enzimas de la batería de azúcar pueden moverse libremente en un espacio más grande y retener la actividad enzimática. Para mantener la transferencia de masa a alta velocidad , los investigadores inmovilizaron vitamina K3 en el electrodo. Los experimentos correspondientes sugieren que el método de no inmovilización ayuda a la batería de azúcar a alcanzar un nivel de densidad de energía más alto y más estable que las pilas de combustible de enzimas normales con enzimas inmovilizadas . Por lo tanto, la densidad de energía de la batería de azúcar aumentó de modo que se extendió la vida útil de la batería. [4]
Termoenzimas
Las termoenzimas, enzimas con alta termoestabilidad , se utilizan como enzimas no inmovilizadas para asegurar la estabilidad. En la batería de azúcar, las termoenzimas son producidas por Escherichia coli , una especie de bacteria. Luego, las enzimas se purifican mediante el método de precipitación térmica y se ponen en uso. [9]
Vía catabólica sintética
La reacción de oxidación dentro de la batería de azúcar ocurre en una vía catabólica sintética, que contiene 13 enzimas . [4] Esta vía está construida como respiración de aire en lugar de cerrada para que los investigadores se aseguren de que la presión del aire dentro de la batería sea estable y la reacción de oxidación se complete. Las enzimas actúan como catalizadores de modo que la cantidad total de ellas permanece igual. Por lo tanto, la reacción general consume solo el combustible y el agua, mientras que las enzimas se reciclan en el sistema. Según los experimentos de laboratorio, la batería de azúcar alcanza una eficiencia de transmisión de electrones de casi 24 electrones por monómero de glucosa , que es la unidad básica de los combustibles orgánicos. En comparación, la reacción de oxidación en las celdas de combustible enzimáticas prototipo solo podría generar 2 electrones por unidad de glucosa, lo que da como resultado una baja densidad de energía . [4]
Ver también
- Batería de iones de litio
- Biobatería
- Lista de tipos de baterías
- Batería de papel
- Célula de biocombustible enzimático
Referencias
- ^ "Sony desarrolla" . Sony Global - Sede mundial de Sony . Consultado el 5 de noviembre de 2019 .
- ^ "La batería biológica convierte el papel en energía" . 2012-03-08 . Consultado el 9 de noviembre de 2019 .
- ^ a b c Zhang, Y.-H. Percival (2009). "Una dulce solución inmediata a la economía del hidrógeno: ¿es ciencia ficción el coche impulsado por azúcar?". Ciencias de la energía y el medio ambiente . 2 (3): 272. doi : 10.1039 / B818694D .
- ^ a b c d e f g h yo j k Zhu, Zhiguang; Kin Tam, Tsz; Sun, Fangfang; Tú, Chun; Percival Zhang, Y. -H. (Mayo de 2014). "Una biobatería de azúcar de alta densidad energética basada en una vía enzimática sintética" . Comunicaciones de la naturaleza . 5 (1): 3026. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3026Z . doi : 10.1038 / ncomms4026 . PMID 24445859 .
- ^ "El ex profesor de tecnología de Virginia declarado culpable de subvención fraude, declaraciones falsas, obstrucción" . www.justice.gov . 2019-02-25 . Consultado el 9 de noviembre de 2019 .
- ^ Loughran, Jack (24 de octubre de 2016). "Se ha descubierto que las baterías de iones de litio producen gases tóxicos" . eandt.theiet.org . Consultado el 29 de octubre de 2019 .
- ^ "Maltodextrin" , Wikipedia , 2019-11-04 , consultado el 2019-11-05
- ^ "¿Hay suficiente litio para alimentar la demanda actual del mercado de baterías?" . Fideicomiso de Energía Limpia . 2018-02-13 . Consultado el 5 de noviembre de 2019 .
- ^ a b c Chen, Ying; Wu, ping; Shao, Yufang; Ying, Yibin (abril de 2014). "Evaluación de riesgos para la salud de metales pesados en vegetales cultivados alrededor del área de producción de baterías" . Scientia Agricola . 71 (2): 126-132. doi : 10.1590 / S0103-90162014000200006 .
- ^ Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James (2000). "Oxidación de glucosa y ácidos grasos a CO2" . Biología celular molecular (4ª ed.). ISBN 0-7167-3136-3.
- ^ "Ventajas y desventajas de la energía de biomasa | Co de recursos renovables" . Coalición de Recursos Renovables . 2016-12-09 . Consultado el 5 de noviembre de 2019 .
enlaces externos
- https://vtnews.vt.edu/articles/2014/01/012213-cals-battery.html
- https://www.youtube.com/watch?v=yYaj2mrsWlc