En la búsqueda de sistemas de almacenamiento de energía eficientes y duraderos las baterías de iones de litio se han convertido en vitales para los dispositivos portátiles y los vehículos eléctricos. Sin embargo, sus limitaciones, marcadas por la densidad de energía y la vida útil impulsan la investigación de otras soluciones innovadoras. El grafeno, un material mágico con propiedades excepcionales, emerge como un elemento importante en la industria de las baterías.
Descubierto en 2004, el grafeno es una forma alotrópica del carbono, al igual que el diamante o el grafito, pero con unas propiedades únicas y extraordinarias debido a su estructura y a un espesor extremadamente finos. Es un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal bidimensional.
Es considerado el material más delgado y ligero que existe y, al mismo tiempo, uno de los más fuertes y resistentes. Es impermeable a los gases y tiene una alta capacidad de carga eléctrica. Todas estas características hacen de él un material prometedor en una amplia gama de aplicaciones. En electrónica, reemplazando al silicio en la fabricación de chips más rápidos y eficientes. En la industria energética, para celdas fotovoltaicas más eficientes. También se investiga su uso en medicina, electrónica flexible, desalinización del agua y filtración de contaminantes, entre otros.
Ranjith Divigalpitiya experto en materiales de grafeno de Hydrograph da un repaso a lo que suponen estas propiedades aplicadas a diferentes tipologías de baterías. Su excepcional conductividad térmica y eléctrica, su flexibilidad, su resistencia y su gran superficie específica lo convierten en un candidato ideal para mejorar el rendimiento de las baterías. El grafeno puede revolucionar varias de las tipologías de baterías actuales de iones de litio y también otras variantes que hoy en día están desarrollándose, como las de litio-aire o las de litio-azufre.
Antes de abordar cada una por separado hay un componente común a todas ellas en el que el grafeno también tiene su aplicación. Se trata de un componente esencial que se encuentra en todas las baterías: el colector de corriente. Su función principal es facilitar el movimiento de electrones dentro y fuera de la batería.
En general, los colectores, compuestos por láminas finas de aluminio y cobre, no han recibido tanta atención como los materiales de electrodos. Una parte considerable de los que se utilizan hoy en día están recubiertos de carbono para protegerlos contra la corrosión electroquímica. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que recubrir los colectores de corriente de lámina metálica con un carbono similar al grafeno o grafeno puro, en lugar de los recubrimientos tradicionales de negro de humo, puede mejorar en gran medida el rendimiento de la celda.
El carbono similar al grafeno, que es aproximadamente cien veces más delgado que los recubrimientos de negro de humo convencionales, no solo reduce la impedancia (resistencia del circuito al flujo de la corriente), sino que también aumenta la densidad de energía de la batería. Dado que la impedancia de la celda es directamente responsable de la pérdida de energía en las baterías, los recubrimientos de grafeno ofrecen beneficios significativos.
Actualmente, el grafeno es más caro que el negro de carbón, lo que lo hace viable solo para baterías de alta gama y alto rendimiento. Sin embargo, a medida que las tecnologías de grafeno avancen y entren en producción a gran escala, más aplicaciones de baterías podrán aprovechar estos beneficios.
Baterías de grafeno e iones de litio
El grafeno puede mejorar las baterías actuales de iones de litio aumentando su rendimiento y elevando sus especificaciones.
Aumento de la densidad de energía. El grafeno posee una superficie específica asombrosamente alta y una excelente conductividad eléctrica. Al incorporar grafeno en los electrodos de las baterías de iones de litio, se incrementa el área en la que se intercalan los iones de litio, aumentando la capacidad de almacenamiento energético. Esto significa energía y más autonomía para los vehículos eléctricos (y también para los dispositivos portátiles).
Carga y descarga rápida. La alta conductividad del grafeno permite el rápido movimiento de electrones dentro de una batería de iones de litio. Esta propiedad facilita tasas de carga y descarga más rápidas, minimizando el tiempo de espera para recuperar la autonomía de un vehículo eléctrico.
Mayor vida útil. Uno de los inconvenientes de las baterías de iones de litio tradicionales es la limitación de su ciclo de vida. Con el tiempo, la capacidad de la batería disminuye debido a la degradación de los electrodos. Con la incorporación de grafeno en la estructura de la batería se logra mitigar este problema. La resistencia mecánica y la estabilidad química del grafeno actúan como capas protectoras sobre los electrodos, evitando la degradación y prolongando la vida útil de la batería. Esto se traduce en soluciones de almacenamiento de energía más duraderas y rentables.
Baterías de grafeno y litio-aire
Si bien las baterías de iones de litio han revolucionado el almacenamiento de energía portátil, los investigadores están explorando activamente nuevas soluciones, entre las que destacan las baterías de litio-aire. El grafeno juega un papel fundamental en la mejora del rendimiento y la viabilidad de estos prometedores sistemas de almacenamiento de energía.
Liberan una alta densidad de energía. Las baterías de litio-aire, también conocidas como baterías de litio-oxígeno, ofrecen una densidad de energía teórica aún mayor que las baterías de iones de litio. Al aprovechar las propiedades únicas del grafeno, los investigadores están desarrollando estructuras catódicas que facilitan la reducción eficiente del oxígeno y las reacciones de evolución. Esto permite que estas baterías almacenen mucha más energía, lo que las hace ideales para aplicaciones como vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable.
Estabilidad y fiabilidad. La estabilidad de las baterías de Li-aire es un factor crítico para su implementación práctica. La resistencia mecánica y la estabilidad química del grafeno pueden mitigar los desafíos asociados con la reducción del oxígeno y las reacciones de evolución, evitando la degradación del electrodo y mejorando la fiabilidad general de la batería.
Baterías de grafeno y litio-azufre
Este tipo de batería es otra tecnología prometedora para el almacenamiento de energía. En ellas, el grafeno ofrece varias ventajas para mejorar el rendimiento, convirtiéndolas en una alternativa viable a los sistemas tradicionales.
Incremento de la conductividad eléctrica. Las baterías de litio-azufre tienen una densidad de energía teórica excepcionalmente alta, pero se enfrentan a desafíos relacionados con la baja conductividad eléctrica del azufre y la disolución de polisulfuro. Estos problemas se pueden abordar integrando grafeno en la estructura de electrodos de la batería. El grafeno actúa como un andamio conductor, proporcionando vías para los electrones y mejorando la capacidad general de almacenamiento de energía de la batería.
Menor degradación y mejora de la vida útil. La degradación del electrodo de azufre reduce el ciclo de vida de estas baterías. Sin embargo, las propiedades protectoras del grafeno pueden mitigarla al evitar la disolución de polisulfuros y proporcionar un marco estable para los electrodos. El resultado es una mayor vida útil de la batería y una mayor estabilidad, lo que garantiza que sigan siendo una opción viable para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala.
Los grandes hándicaps del grafeno
Aunque el grafeno tiene un gran potencial, todavía se encuentra en una etapa de desarrollo y hay desafíos técnicos y económicos para su producción y aplicación a gran escala. Sin embargo, la investigación y el interés en este material continúan en constante avance, lo que podría llevar a futuras innovaciones y aplicaciones aún más amplias.
Desde la introducción del grafeno, tres son los desafíos que han impedido su uso generalizado en diversas aplicaciones: la ausencia de métodos de fabricación escalables, la inconsistente calidad de producción y el alto coste. Sin embargo, los avances recientes han mostrado desarrollos prometedores en todas estas áreas. Han surgido tecnologías de fabricación innovadoras y ambientalmente sostenibles para abordar estos desafíos, lo que ha llevado a un progreso significativo de este material.
