Baterías de Grafeno Explicadas: El Futuro de la Energía Duradera

La tecnología de baterías ha mejorado mucho últimamente. Pero si hay algo que la gente nunca tendrá suficiente es la promesa de una vida útil prolongada. ¿No sería genial que nuestros portátiles y smartphones duraran una semana completa de uso intensivo con una sola carga? ¿O si los coches eléctricos pudieran cargarse por completo en minutos?

Con las baterías de grafeno, todo esto es posible.

El grafeno es actualmente el material más investigado para el almacenamiento de carga. Resultados de laboratorios de todo el mundo confirman su potencial para revolucionar la industria del almacenamiento energético.

Descubierto en 2004, el grafeno podría presentar muchas características nuevas para dispositivos de almacenamiento en la próxima década, como baterías completamente enrollables, condensadores más pequeños, dispositivos de alta capacidad y carga rápida, y baterías transparentes.

Profundicemos y aprendamos más sobre esta tecnología revolucionaria: cómo se diferencia de las baterías de iones de litio actuales, cuáles son sus aplicaciones y por qué es tan importante.

¿Qué es Exactamente una Batería de Grafeno?

El grafeno, una lámina de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal bidimensional, es reconocido como un "material maravilla" por sus propiedades únicas. Es un excelente conductor de calor y electricidad, impresionantemente flexible, casi transparente, 100 veces más resistente que el acero del mismo grosor y extremadamente ligero.

Átomos en grafeno dispuestos en una red hexagonal bidimensional

Y como el material también es ecológico y sostenible, tiene posibilidades ilimitadas en una amplia gama de aplicaciones. Una de esas aplicaciones prometedoras es la batería de próxima generación.

El grafeno puede integrarse en diferentes tipos de baterías: metal-aire, flujo redox, litio-metal, litio-azufre y, más importante aún, baterías de iones de litio. Puede procesarse químicamente en diferentes versiones adecuadas tanto para electrodos negativos como positivos.

Las baterías fabricadas con grafeno pueden alimentar desde dispositivos portátiles hasta vehículos eléctricos. Almacenan más energía y tienen ciclos de vida más largos que las baterías comerciales actuales (de iones de litio).

El grafeno como batería también puede usarse como supercondensador, que puede cargar y descargar increíblemente rápido. De hecho, podrían ayudar a la civilización a alejarse finalmente de los combustibles fósiles perjudiciales.

¿En Qué se Diferencian de las Baterías Tradicionales?

La tecnología de baterías de grafeno es similar a la de iones de litio: tiene dos electrodos sólidos y una solución electrolítica para permitir el flujo de iones. Sin embargo, algunas baterías de grafeno cuentan con electrolito sólido.

La principal diferencia radica en los componentes de uno o ambos electrodos. En una batería convencional, el cátodo (electrodo positivo) está hecho completamente de materiales de estado sólido. Sin embargo, en una batería de grafeno, el cátodo está hecho de un componente híbrido que contiene grafeno y un material metálico de estado sólido.

La cantidad de grafeno usada en el electrodo varía, dependiendo de la eficiencia y los requisitos de rendimiento del material de estado sólido. Además, el grafeno como ánodo proporciona una alta capacidad y una capacidad de velocidad superior.

Desafíos Actuales

En los últimos años, los investigadores han demostrado varias baterías basadas en grafeno que superan a las disponibles comercialmente. Sin embargo, la tecnología no ha llegado al mercado aún. Dos obstáculos principales deben superarse:

1. La falta de procesos eficientes para producir grafeno de alta calidad en grandes cantidades
2. Los costes de producción son prohibitivamente altos en este momento

Producir un kilogramo de grafeno cuesta decenas de miles de dólares: la cantidad varía según los requisitos de calidad del material. Dado que el carbón activado usado actualmente en supercondensadores está disponible a bajo coste (15 $/kg), es muy difícil para otros materiales entrar en el mercado comercial.

12 Nuevas Características de las Baterías de Grafeno

Pronto, el grafeno podría establecer dispositivos de almacenamiento energético de nueva generación con características extraordinarias imposibles con la tecnología actual.

1. Supercondensadores con Filtrado de Línea AC

Un condensador de doble capa eléctrica basado en láminas de grafeno orientadas verticalmente podría cargarse/descargarse muy rápido (en menos de un milisegundo). Se han probado docenas de materiales para filtrado de línea AC, incluyendo óxido de grafeno, alfombra de grafeno-CNT (nanotubos de carbono) y puntos cuánticos de grafeno.

Estos supercondensadores ultrarrápidos podrían reemplazar los grandes condensadores electrolíticos usados actualmente en electrónica, haciendo los dispositivos más ligeros y pequeños.

2. Dispositivos de Almacenamiento Energético Flexibles

Las baterías y supercondensadores existentes son rígidos: doblarlos puede causar fugas de electrolito y daños en la celda. Sin embargo, el grafeno, con su estructura bidimensional de un átomo de espesor, puede deformarse en la dirección normal a su superficie sin causar daño.

Además de esta flexibilidad mecánica inherente, sus características eléctricas fenomenales y su gran superficie hacen del grafeno un material prometedor para baterías flexibles.

3. Baterías y Supercondensadores Estirables

Dispositivos de almacenamiento energético estirables pueden construirse aprovechando la estirabilidad estructural de electrodos compuestos de micro-panales de grafeno-CNT/material activo y un electrolito de gel físicamente entrecruzado.

Película de grafeno-CNT/material activo en sustrato estirable | Crédito: ACS Nano

Los materiales activos interconectados mediante nanotubos de carbono entrelazados y láminas de grafeno proporcionan una red porosa mecánicamente estable, mientras que la estructura interna del panal permite el estiramiento estructural durante la deformación.

4. Baterías de Iones de Litio de Carga Rápida

Como el grafeno permite una transferencia más rápida de iones y electrones en los electrodos, las baterías de iones de litio equipadas con grafeno pueden cargarse y descargarse en mucho menos tiempo.

Por ejemplo, una batería de iones de litio cargada con cátodo de LiFePO₄ a nanoescala y materiales de ánodo Li₄Ti₅O₁₂ en espuma de grafeno flexible puede cargarse completamente en solo 18 segundos. El grafeno puro también puede usarse en el ánodo para mejorar la capacidad y la tasa de carga/descarga ultrarrápida.

5. Baterías para Dispositivos Wearables

Los avances recientes en electrodos coaxiales y núcleo-vaina han hecho posible combinar material de electrodo y colector de corriente en un solo hilo, que puede tejerse o tricotarse directamente en textiles.

El grafeno puede ensamblarse eficazmente en microfibras multifuncionales y tejerse en tejidos. Las microfibras núcleo-vaina de grafeno ya se han usado para demostrar supercondensadores flexibles y estirables (con alta capacitancia areal) que pueden incorporarse en textiles mediante métodos de tejido tradicionales.

6. Colectores de Corriente Ultradelgados para Dispositivos Ligeros

Las baterías existentes usan colectores de corriente de lámina metálica (cobre, aluminio o níquel) con espesor de 20-80 micrómetros para facilitar el flujo de electrones entre electrodos y circuitos externos. Como estos metales no almacenan carga, reducen la densidad energética global de la batería. Además, sufren corrosión, afectando negativamente la resistencia interna de la celda y la vida útil de la batería.

El grafeno, por otro lado, es una mejor alternativa como colector de corriente. Tiene alta conductividad eléctrica, baja densidad y puede funcionar establemente bajo condiciones extremas. El grafeno puede transformarse fácilmente en películas con ondas y arrugas en su superficie, lo que resulta en mejor contacto eléctrico con materiales activos (reduciendo aún más la resistencia de la celda).

7. Baterías y Supercondensadores Transparentes

Debido a su alta conductividad y transparencia decente (hasta 97,7% de transmitancia), el grafeno puede jugar un papel significativo en hacer baterías transparentes más eficientes. Puede usarse como material de electrodo no solo para desarrollar dispositivos de almacenamiento energético transparentes, sino también para ventanas inteligentes, celdas solares y diversos equipos optoelectrónicos.

8. Baterías de Mayor Duración

Las baterías de iones de litio actuales usan ánodos de grafito. Su densidad energética puede aumentarse reemplazando el grafito por grafeno.

Los electrodos de grafeno en forma de papel de grafeno plegado, películas de grafeno poroso y marcos de grafeno solvatado ofrecen tres veces más capacidad que los electrodos de grafito tradicionales, prometiendo mayor autonomía para vehículos eléctricos y mayor tiempo de uso para dispositivos portátiles.

La capacidad y densidad de potencia pueden mejorarse aún más dopando ánodos de grafeno con nitrógeno y boro.

9. Óxido de Grafeno como Electrolito Sólido y Separador

El óxido de grafeno es un buen aislante electrónico. Puede usarse tanto como electrolito sólido viable como separador de electrodos al mismo tiempo. Algunos estudios muestran que una película de óxido de grafeno, actuando como electrolito sólido, exhibe alta capacitancia pero con difusión iónica indetectable similar a condensadores dieléctricos.

Estas observaciones pueden ayudar a los investigadores a desarrollar condensadores ultrarrápidos, ligeros y densos en energía que no sufren de difusión iónica, a menudo responsable de riesgos de fuga de electrolito.

10. Supercondensadores con Densidad Energética de Baterías

Supercondensadores hechos con espumas de grafeno [porosas y densas] tienden a tener densidades energéticas ultraaltas comparables a baterías de plomo-ácido. Estas espumas de grafeno se hacen excavando pequeños agujeros en los planos basales del grafeno y luego comprimiéndolos con equipos hidráulicos avanzados.

El principal beneficio de los supercondensadores de grafeno sobre los tradicionales es que operan con electrolitos acuosos y pueden fabricarse sin necesidad de sofisticados montajes en "sala seca".

11. Membranas de Óxido de Grafeno Semipermeables

Las membranas de óxido de grafeno muestran diversas características de barrera únicas. En estado seco, son impermeables a todo, excepto al vapor de agua. En agua, se comportan como tamices moleculares, bloqueando iones grandes mientras facilitan el transporte de los más pequeños.

Estas características pueden llevar al desarrollo de membranas selectivas de iones de nueva generación para supercondensadores, baterías y celdas de combustible.

12. Electrodos sin Agentes Aglutinantes ni Aditivos

Los aglutinantes y aditivos juntos constituyen hasta el 40% de la masa del electrodo. Se conoce como "masa muerta" porque no almacena carga y reduce la densidad energética global.

Pero como el grafeno puede ensamblarse en estructuras 2D y 3D auto-sostenidas con alta conductividad eléctrica, es posible incorporar grafeno en electrodos directamente, sin añadir aglutinantes ni agentes conductores.

Estudios Recientes

En la última década, los científicos se han centrado en mejorar el rendimiento electroquímico integral y la fiabilidad de las baterías existentes. Han desarrollado y probado muchas versiones de baterías equipadas con compuestos de grafeno.

Batería de Iones de Litio Basada en Nanocompuestos de Grafeno/Silicio Optimizados

Los investigadores han fabricado un compuesto optimizado de óxido de grafeno reducido/silicio usando un método de autoensamblaje templado fácil. El grafeno soporta uniformemente nanopartículas de silicio, formando una red tridimensional (debido a la interacción intermolecular mejorada y el aumento del área superficial específica).

Estrategia sintética del compuesto RGO/Si optimizado | Crédito: ACS Publications

Puede usarse como hoja de interfase electrolito-sólido estable, que aumenta tanto la conductividad eléctrica como la estabilidad estructural.

Celdas de Bolsa Basadas en Grafeno

Una batería cuasi-sólida de litio-oxígeno basada en grafeno ofrece densidades energéticas gravimétrica y volumétrica superiores a las baterías de polímero de litio existentes. Consiste en un cátodo de grafeno poroso 3D, ánodo de grafeno poroso/Li y electrolito de polímero de gel modificado con mediador redox.

Ilustración esquemática de batería Li-O2 basada en grafeno | Crédito: Nature

Este estudio abre una nueva vía para desarrollar baterías de litio-oxígeno seguras y estables con ciclos estables a gran capacidad y bajo sobrepotencial de carga.

Películas Laminadas de Grafeno para Almacenamiento Energético Capacitivo

En 2020, un equipo de investigadores diseñó un electrodo de película laminada de grafeno autoportante con utilización de poros altamente eficiente. Es fácil configurar la porosidad ajustando el espaciado intercapas de la película. Como los poros se utilizan óptimamente, la capacitancia volumétrica se maximiza.

Supercondensador flexible de grafeno puede almacenar 10x más energía que los convencionales | Crédito: University College London

Este tipo de supercondensadores retiene el 97,8% de su capacidad energética tras 5.000 ciclos. También son muy flexibles: funcionan casi igual cuando se doblan 180 grados que cuando están planos.

Electrodo Basado en Grafeno Inducido por Láser

Los científicos han fabricado un micro-supercondensador flexible mediante una única estampación de reducción fotónica por láser de pulso único. Con este método, se pueden producir 1.000 láseres con forma espacial por segundo, y más de 30.000 micro-supercondensadores en 10 minutos.

Más de 30.000 MSCs fabricados en un área de un centímetro cuadrado | Crédito: Beijing Institute of Technology

Este electrodo de grafeno inducido por láser exhibe una capacitancia específica sobresaliente, una constante de tiempo ultra-corta, una densidad energética ultra-alta y una cicabilidad a largo plazo.

Mercado

La investigación en grafeno seguirá expandiéndose durante la próxima década con la promesa de mejorar la vida humana. En 2019, el mercado global de baterías de grafeno se valoró en 49 millones de dólares, y se proyecta que alcance aproximadamente 399 millones para 2027, registrando una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) superior al 31% durante el período de pronóstico.

El crecimiento del mercado está impulsado por el uso de baterías de grafeno en vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos portátiles y el aumento en la adopción de recursos energéticos no convencionales. Se espera que el segmento automotriz tenga la mayor tasa de crecimiento debido a la creciente demanda de coches eléctricos por preocupaciones medioambientales.

Por regiones, se proyecta que Asia Pacífico represente la mayor cuota de la industria de baterías de grafeno. Los países clave que contribuyen a la mayor demanda son China, Japón y Corea del Sur. Europa probablemente tendrá la 2ª mayor cuota del mercado global.