¿Qué es una batería de grafeno? [Una descripción general simple]

La tecnología de la batería ha mejorado mucho estos días. Pero si hay algo que la gente nunca podrá tener suficiente es la promesa de una duración prolongada de la batería. ¿No sería fantástico si nuestras computadoras portátiles y teléfonos inteligentes duraran toda una semana de uso intensivo con una sola carga? ¿O qué pasaría si los coches eléctricos pudieran cargarse completamente en minutos?

Con las baterías de grafeno, todo es posible.

El grafeno es actualmente el material más investigado para el almacenamiento de carga. Los resultados de varios laboratorios de todo el mundo confirman su potencial para revolucionar la industria del almacenamiento de energía.

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

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

¿Qué es exactamente una batería de grafeno?

El grafeno, una hoja de átomos de carbono dispuestos en una red de panal bidimensional, se reconoce como un "material maravilloso" debido a 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 un entramado de panal bidimensional

Y dado que 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 se puede integrar en diferentes tipos de baterías:metal-aire, flujo redox, litio-metal, litio-azufre y, lo que es más importante, baterías de iones de litio. Puede procesarse químicamente en diferentes versiones adecuadas tanto para los electrodos negativos como para los positivos.

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

El grafeno como batería también se puede utilizar como supercondensador, que puede cargarse y descargarse increíblemente rápido. De hecho, podrían ayudar a la civilización a alejarse finalmente de los combustibles fósiles dañinos.

¿En qué se diferencian de las pilas tradicionales?

La tecnología de las baterías de grafeno es similar a las baterías de iones de litio:tiene dos electrodos sólidos y una solución de electrolito para permitir el flujo de iones. Sin embargo, algunas baterías de grafeno contienen 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 utilizada 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 aún no ha entrado en el mercado. Aún deben superarse dos obstáculos importantes:

1. La falta de procesos eficientes para producir grafeno de alta calidad en grandes cantidades
2. Los costos 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 de los materiales. Dado que el carbón activado que se utiliza actualmente en los supercondensadores está disponible a bajo costo ($ 15 por kg), es muy difícil que otros materiales ingresen al mercado comercial.

12 nuevas funciones de las baterías de grafeno

Pronto, el grafeno podría establecer dispositivos de almacenamiento de energía de nueva generación con características extraordinarias que no son posibles con la tecnología actual.

1. Supercondensadores con filtrado de línea de CA

Un condensador eléctrico de doble capa basado en láminas de grafeno orientadas verticalmente podría cargarse / descargarse muy rápidamente (en menos de un milisegundo). Se han probado docenas de materiales para el filtrado de líneas de CA, incluido el óxido de grafeno, la alfombra de grafeno-CNT (NanoTubo de carbono) y los puntos cuánticos de grafeno.

Estos supercondensadores ultrarrápidos podrían reemplazar los grandes condensadores electrolíticos que se utilizan actualmente en la electrónica, haciendo que los dispositivos electrónicos sean más ligeros y pequeños.

2. Dispositivos flexibles de almacenamiento de energía

Las baterías y supercondensadores existentes son rígidos:por lo tanto, doblarlos puede provocar una fuga 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 ningún daño.

Además de esta flexibilidad mecánica inherente, las características eléctricas fenomenales y la gran superficie hacen que el grafeno sea un material prometedor para las baterías flexibles.

3. Baterías extensibles y supercondensadores

Se pueden construir dispositivos de almacenamiento de energía estirables aprovechando la capacidad de estiramiento estructural de los electrodos compuestos de grafeno-CNT / material activo de micropanal de abeja y un electrolito de gel físicamente reticulado.

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

Los materiales activos interconectados a través de los nanotubos de carbono entrelazados y las láminas de grafeno proporcionan un marco de red poroso mecánicamente estable, mientras que el marco que sobresale hacia adentro en la estructura de panal permite el estiramiento estructural durante la deformación.

4. Baterías de iones de litio de carga rápida

Dado que el grafeno permite una transferencia de iones y electrones más rápida en los electrodos, las baterías de iones de litio equipadas con grafeno se pueden cargar y descargar en mucho menos tiempo.

Por ejemplo, una batería de iones de litio cargada con LiFePO ₄ a nanoescala cátodo y Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ Los materiales de ánodo sobre espuma de grafeno flexible se pueden cargar completamente en solo 18 segundos. El grafeno puro también se puede utilizar en el ánodo para mejorar la capacidad y la velocidad de carga / descarga ultrarrápida.

5. Baterías para dispositivos portátiles

Los avances recientes en los electrodos coaxial y núcleo-vaina han hecho posible combinar el material del electrodo y el colector de corriente en un solo hilo, que se puede tejer o tejer directamente en textiles.

El grafeno puede ensamblarse eficazmente en microfibras multifuncionales y tejerse en telas. Las microfibras con núcleo de grafeno ya se han utilizado para demostrar supercondensadores flexibles y estirables (con alta capacitancia de área) que se pueden incorporar a los textiles mediante métodos de tejido tradicionales.

6. Colectores de corriente ultrafinos para dispositivos ligeros

Las baterías existentes utilizan colectores de corriente de lámina metálica (como cobre, aluminio o níquel) con un grosor de 20 a 80 micrómetros para facilitar el flujo de electrones entre los electrodos y los circuitos externos. Dado que estos metales no almacenan carga, reducen la densidad de energía general de la batería. Además, sufren corrosión, lo que afecta negativamente la resistencia interna de la celda y la vida útil de la batería.

El grafeno, por otro lado, es un mejor colector de corriente alternativo. Tiene alta conductividad eléctrica, baja densidad y puede funcionar de manera estable en condiciones de funcionamiento extremas. El grafeno se puede transformar fácilmente en películas con ondulaciones y arrugas en su superficie, lo que resulta en un mejor contacto eléctrico con los materiales activos (esto reduce aún más la resistencia celular).

7. Baterías y supercondensadores transparentes

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

8. Baterías de mayor duración

Las baterías de iones de litio actuales utilizan ánodos de grafito. Su densidad de energía se puede aumentar reemplazando el grafito con grafeno.

Los electrodos de grafeno en forma de papel de grafeno doblado, películas de grafeno porosas y estructuras de grafeno solvatadas ofrecen tres veces más capacidad que los electrodos de grafito tradicionales, lo que promete un mayor alcance para vehículos eléctricos y tiempos de funcionamiento más prolongados para dispositivos portátiles.

La capacidad y la densidad de potencia se pueden mejorar aún más dopando los 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 como un electrolito sólido viable y como separador de electrodos al mismo tiempo. Algunos estudios muestran que una película de óxido de grafeno, que actúa como un electrolito sólido, exhibe una alta capacitancia pero con una difusión iónica indetectable similar a los capacitores dieléctricos.

Estas observaciones pueden ayudar a los investigadores a desarrollar condensadores ultrarrápidos, livianos y de alta densidad de energía que no sufren difusión de iones, que a menudo es responsable de los peligros de fuga de electrolitos.

10. Supercondensadores con la densidad energética de las baterías

Los supercondensadores fabricados con espumas de grafeno [porosas y densas] tienden a tener densidades de energía ultraaltas comparables a las de las baterías de plomo-ácido. Estas espumas de grafeno se fabrican cavando 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 funcionan con electrolitos acuosos y se pueden fabricar sin ningún ensamblaje sofisticado de "sala seca".

11. Membranas de óxido de grafeno semipermeables

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

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

12. Electrodos sin aglutinantes ni aditivos

El aglutinante y los aditivos juntos constituyen hasta el 40% de la masa del electrodo. Se conoce como "masa muerta" porque no almacena ninguna carga y, por lo tanto, disminuye la densidad de energía general.

Pero dado que el grafeno se puede ensamblar en estructuras 2D y 3D autónomas con alta conducción de electricidad, es posible incorporar grafeno en electrodos directamente, sin agregar aglutinantes ni agentes conductores.

Leer:Batería de estado sólido [Una descripción general simple]

Estudios recientes

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

Batería de iones de litio basada en nanocompuestos de grafeno / silicio optimizados

Los investigadores han fabricado un compuesto de silicio / óxido de grafeno reducido optimizado utilizando un método de autoensamblaje sencillo con plantilla. El grafeno soporta uniformemente las nanopartículas de silicio, formando una red tridimensional (debido a la interacción intermolecular mejorada y al aumento de la superficie específica).

La estrategia sintética del compuesto optimizado RGO / Si | Crédito:Publicaciones ACS

Se puede utilizar como una lámina de interfase estable de electrolitos sólidos, que aumenta tanto la conductividad eléctrica como la estabilidad estructural.

Células de bolsa a base de grafeno

Una batería de oxígeno y litio de estado casi sólido basada en grafeno ofrece densidades de energía gravimétricas y volumétricas más altas que las baterías de polímero de iones de litio existentes. Consiste en un cátodo de grafeno poroso 3D, un ánodo de grafeno / Li poroso y un electrolito de polímero de gel modificado con mediador redox.

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

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 de energía capacitiva

En 2020, un equipo de investigadores diseñó un electrodo de película laminada de grafeno independiente con una utilización de poros altamente eficiente. Es fácil configurar la porosidad ajustando el espaciado entre capas de la película. Dado que los poros se utilizan de manera óptima, se maximiza la capacitancia volumétrica.

El supercondensador de grafeno flexible puede almacenar 10 veces más energía que los convencionales | Crédito:University College London

Este tipo de supercondensadores puede retener el 97,8% de su capacidad energética después de 5.000 ciclos. También son muy flexibles:funcionan casi del mismo modo cuando están dobladas 180 grados que cuando están acostadas.

Electrodo basado en grafeno inducido por láser

Los científicos han fabricado un micro-supercondensador flexible mediante un estampado de reducción fotónica de láser de un solo pulso. Con este método, se pueden producir 1000 láseres de forma espacial por segundo y se pueden producir más de 30 000 micro-supercondensadores en 10 minutos.

Más de 30.000 MSC se fabrican en un área de un centímetro cuadrado | Crédito:Instituto de Tecnología de Beijing

Este electrodo basado en grafeno inducido por láser exhibe una capacitancia específica sobresaliente, una constante de tiempo ultracorta, una densidad de energía ultra alta y una ciclabilidad a largo plazo.

Mercado

La investigación del grafeno continuará expandiéndose durante la próxima década con la promesa de mejorar la vida de las personas. En 2019, el mercado mundial de baterías de grafeno se valoró en $ 49 millones y se prevé 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 tasa de crecimiento más alta debido a la creciente demanda de autos eléctricos debido a preocupaciones ambientales.

Leer:10 tipos diferentes de baterías | Explicado

Según la región, se proyecta que la región de Asia Pacífico representará la mayor parte de la industria de las baterías de grafeno. Los países clave que contribuyen al aumento de la demanda son China, Japón y Corea del Sur. Europa probablemente tendrá la segunda participación más grande del mercado mundial de baterías de grafeno.