Baterías de grafeno

Las baterías de grafeno son dispositivos avanzados de almacenamiento de energía. Los materiales de grafeno son bidimensionales y suelen estar compuestos únicamente de carbono. También pueden incorporarse a sistemas existentes, como las baterías de iones de litio (Li-ion) o de iones de aluminio (Al-ion). La alta conductividad, la gran superficie y la flexibilidad del grafeno mejoran el rendimiento de la batería, siendo la incorporación más común en los electrodos. Si bien las baterías tradicionales de iones de litio son conocidas por ser tóxicas, insostenibles e inflamables, el grafeno puede ayudar a mitigar estos problemas.

¿Por qué utilizar grafeno en baterías?

La primera batería de iones de litio se desarrolló en 1976, una época similar a la de las baterías de iones de aluminio. Sin embargo, el grafeno no se descubrió hasta 2004. El uso del grafeno en baterías es mucho más reciente, pero a pesar de ello, aún pueden superar a las baterías de iones de litio en diversas áreas.

Normalmente, las baterías de iones de litio se cargan en un par de horas. Las baterías mejoradas con grafeno ofrecen una carga mucho más rápida ; informes recientes sugieren una carga completa en menos de media hora. Esta capacidad de carga más rápida también ayuda a prolongar la vida útil de la batería . Se informa que las baterías de grafeno duran aproximadamente cinco veces más que las de iones de litio.

Una de las ventajas más importantes de incorporar grafeno en las baterías es la mayor seguridad . Las baterías de iones de litio son conocidas por provocar incendios; sin embargo, la estabilidad y la disipación del calor del grafeno lo convierten en una opción no inflamable. Además, su manipulación es mucho más segura que la del litio, ya que no es tóxica.

Además, el grafeno se describe a menudo como una alternativa más sostenible a las baterías de iones de litio o de iones de aluminio. A diferencia del litio, el aluminio, el cobalto y el níquel, que se extraen de fuentes naturales finitas, el grafeno es un material de laboratorio, lo que ofrece un enfoque más sostenible para la producción de baterías.

Cómo se utiliza el grafeno en las baterías

Las baterías liberan y almacenan energía mediante la conversión de energía potencial química a energía eléctrica. Esta conversión es resultado de reacciones de reducción y oxidación (redox). Las baterías constan de:

• • • dos electrodos: cátodo y ánodo
    • electrólito
    • separador
    • fuente de alimentación

Un voltaje expulsa los iones del cátodo, a través del electrolito, hasta el ánodo, donde se producen reacciones redox. Los electrones liberados crean una corriente eléctrica que se transfiere a un circuito externo. La dirección del movimiento de carga entre el cátodo y el ánodo depende de si la batería se está cargando (restaurando la energía almacenada) o descargándose (liberando la energía almacenada).

Electrodos

En los electrodos, los iones ganan electrones (reducción) o los pierden (oxidación). Estas reacciones redox son las que hacen que las baterías funcionen. El rendimiento de un electrodo depende de la capacidad de transferencia de carga de ese material.

El grafeno posee una gran superficie y capacidad, lo que permite almacenar más iones en sus capas. Esto confiere a las baterías de grafeno una mayor capacidad y una vida útil más larga. Por lo tanto, el grafeno es un material adecuado tanto para aplicaciones catódicas como anódicas.

Los electrodos son uno de los componentes más influyentes de la batería. Por ello, la investigación sobre cátodos y ánodos de grafeno es muy popular.

Baterías híbridas de iones de litio y grafeno

El grafeno no se utiliza ampliamente como material de electrodo directo en baterías de iones de litio (LIB) debido a su baja eficiencia culómbica, su alta plataforma de carga-descarga y su inestabilidad de ciclo. Sin embargo, su excelente conductividad lo hace valioso como soporte, mediador, estructura o modificador de electrodos en electrodos compuestos.

Grafeno en cátodos

El grafeno mejora el rendimiento del cátodo al mejorar el transporte y la difusión de electrones/iones.

• Compuestos de LiMn ₂ O _{4 /rGO: la síntesis hidrotermal asistida por microondas dispersa LiMn 2} O ₄ de tamaño nanométrico en rGO, lo que produce alta capacidad, capacidad de velocidad y ciclo estable.
• LiFePO ₄ con láminas de grafeno: la adición gota a gota de grafeno en DMF mejora la capacidad (187–208 mAh g ^-1 ) al evitar la aglomeración y la expansión del volumen.
• Otros métodos: autoensamblaje, química húmeda, mezcla mecánica, microemulsión, molienda de bolas, síntesis solvotérmica y secado por pulverización.

Grafeno en ánodos

La gran superficie del grafeno (2620 m ² g ^-1 ), su delgadez y flexibilidad acortan las distancias de difusión de iones, mejoran la conductividad y amortiguan la tensión estructural.

• Compuestos de Sn-grafeno: la síntesis hidrotermal con recubrimiento de carbono se adapta a los cambios de volumen de Sn, mejorando el ciclo y la conductividad.
• Óxidos de metales de transición: el grafeno evita la aglomeración y mejora la conductividad en los ánodos basados ​​en óxido.
• Compuestos SiOx/TiO₂ _{@MLG : El TiO₂} exfolia el grafito en grafeno multicapa, que envuelve las partículas de SiOx. Este diseño aumenta la conductividad, amortigua los cambios de volumen y alcanza una capacidad de 1484 mAh g⁻ ^, manteniendo la estabilidad durante 1200 ciclos.

Historia de las baterías de grafeno

El grafeno se descubrió en 2004 y solo se tuvo acceso a capas individuales en 2010. Después de esto, los beneficios de las baterías mejoradas con grafeno se reconocieron casi de inmediato, lo que llevó a rápidos avances en esta área.

• 2004 – Descubrimiento del grafeno.
• Octubre de 2010 – Premio Nobel por el acceso a monocapas de grafeno
• Junio ​​de 2010 – Se fabrica una lámina de grafeno de 30 pulgadas
• Febrero de 2011: Se fabrica una batería flexible basada en grafeno.
• Octubre de 2011: Reino Unido invierte 50 millones de libras en oportunidades comerciales de grafeno.
• Diciembre de 2011 – Primer dispositivo comercial de grafeno
• Enero de 2013: Las baterías de iones de litio basadas en grafeno llegan al mercado
• Junio ​​de 2014 – Producto de batería comercial mejorado con grafeno
• Junio ​​de 2015 – Samsung utiliza grafeno para duplicar la capacidad de una batería de iones de litio.
• Noviembre de 2016: Huawei utiliza grafeno para mejorar la batería
• Diciembre de 2022: La NASA comienza a probar una batería de grafeno para aplicaciones espaciales.
• Junio ​​de 2023 – Comercialización de baterías de Li-S mejoradas con grafeno

Beneficios de las baterías de grafeno

El rápido desarrollo demuestra que los beneficios de incorporar grafeno a las baterías son significativos. Entre sus propiedades beneficiosas se incluyen una gran superficie, un alto almacenamiento de energía, flexibilidad y gestión térmica.

Gran superficie

Una mayor superficie genera más sitios activos en los electrodos y, por lo tanto, un mejor almacenamiento de carga. Esto, a su vez, se traduce en velocidades de carga más rápidas y una mayor resistencia. El grafeno tiene una enorme superficie de 2630 m² ^por gramo.Eso es suficiente para cubrir unas diez canchas de tenis con tan solo un gramo. A diferencia del litio, donde un gramo solo cubre una cancha de tenis de mesa.

Alta capacidad de almacenamiento de energía

Actualmente, las baterías comerciales de iones de litio tienen densidades de energía inferiores a 250 Wh kg ^-1 .Mientras que las baterías que incorporan grafeno han alcanzado alrededor de 1000 Wh kg⁻¹ ^. Por lo tanto, las baterías de grafeno pueden almacenar hasta cuatro veces más carga que las baterías de iones de litio. Por ejemplo, se ha descubierto que el grafeno dopado con flúor tiene una densidad energética de hasta 1073 Wh ^kg⁻¹ .Este aumento en la densidad energética permite contar con baterías más pequeñas y por tanto más ligeras y con vidas útiles más largas.

Flexibilidad

La estructura 2D del grafeno permite que se deforme y doble fácilmente, lo que le confiere una gran flexibilidad. Esto facilita su incorporación en electrodomésticos e incluso permite la fabricación de dispositivos enrollables.

Carga rápida y mayor vida útil

La estructura estratificada del grafeno implica más sitios activos y, por lo tanto, una carga más rápida y eficiente. Investigaciones sobre baterías de iones de aluminio y grafeno han demostrado que los tiempos de carga son hasta 70 veces más rápidos que los de las baterías de iones de litio.Una carga más rápida también permite vidas útiles más largas para las celdas: las baterías mejoradas con grafeno pueden tener una vida útil tres veces más larga que la de una batería de iones de litio.

Ininflamable

Una desventaja importante de las baterías de iones de litio es su potencial de sobrecalentamiento e incendio. Sin embargo, el grafeno no es inflamable y, por lo tanto, constituye una alternativa mucho más segura. Incluso se ha utilizado para reducir la temperatura de funcionamiento de algunas baterías. Se han observado descensos de hasta 25 °C en baterías de iones de litio mejoradas con grafeno.

Aplicaciones de las baterías de grafeno

Se espera que el mercado mundial de grafeno aumente a una tasa del 35 al 40% cada año.Gracias a la investigación y los avances continuos, las baterías de grafeno son capaces de tener una amplia gama de aplicaciones.

Dispositivos de consumo

Muchos dispositivos de consumo, como teléfonos y portátiles, utilizan baterías de iones de litio. En 2023, en el Reino Unido, los bomberos acudieron a 921 incendios relacionados con baterías de iones de litio, lo que supone un aumento del 46 % con respecto a 2022.Aprovechando la estabilidad térmica del grafeno se pueden prevenir estos incendios.

Aplicaciones espaciales

Los beneficios del grafeno también han sido reconocidos para aplicaciones espaciales. Su alto almacenamiento de energía, su larga vida útil y su buen comportamiento térmico lo han llevado a ser objeto de investigación para aplicaciones satelitales.

Vehículos eléctricos (VE)

Los vehículos eléctricos (VE) son cada vez más populares como alternativa sostenible. Sin embargo, las baterías que se utilizan actualmente requieren sistemas de refrigeración complejos para evitar el sobrecalentamiento. La excelente gestión térmica del grafeno evita la necesidad de dichos sistemas. Por lo tanto, los sistemas de baterías de grafeno serían más compactos que las opciones actuales de iones de litio.

Herramientas eléctricas

Las herramientas eléctricas inalámbricas no solo son más prácticas, sino también más seguras. Gracias a los tiempos de carga más rápidos de las baterías de grafeno, se necesitan menos reemplazos, lo que las convierte en una alternativa práctica para obras de construcción remotas.

Híbridos de batería y supercondensador

Un supercondensador se utiliza cuando se necesita energía en ráfagas cortas y bruscas. Al combinar el rápido suministro de energía de los supercondensadores con el alto almacenamiento de las baterías, se pueden superar las desventajas de ambos en un híbrido batería-supercondensador (BSH). El Li₄Ti₄O₄ _se utiliza a _{menudo como} electrodo en condensadores. Al combinarse con grafeno dopado con N, se puede formar un BSH, que ha alcanzado un almacenamiento de hasta 70 Wh ^kg₁ .

¿Qué es el grafeno?

El grafeno se compone únicamente de carbono y, como material bidimensional, existe en láminas delgadas. Cada átomo de carbono del grafeno se enlaza con otros tres en el plano xy, sin enlaces en el plano z. Por lo tanto, una sola capa (monocapa) de grafeno tiene un grosor de tan solo un átomo. Los átomos de carbono se disponen en anillos de benceno y presentan una estructura similar a un panal.

El acceso a estas monocapas de grafeno fue descubierto por Novoselov y Geim, quienes recibieron el Premio Nobel en 2010.Se accedió a capas individuales de grafeno utilizando la misma cinta adhesiva que se usa para envolver regalos. Desde entonces, el grafeno se ha investigado cada vez más. Su alta resistencia, alta conductividad térmica y capacidad para transportar cargas lo convierten en una opción obvia para dispositivos de almacenamiento eléctrico como condensadores y baterías.

Variaciones del grafeno utilizado en baterías

Además del grafeno, otros materiales basados ​​en carbono como el grafeno perforado, el óxido de grafeno, los nanotubos de grafeno y el grafeno dopado también han demostrado potencial para mejorar las propiedades de las baterías.

Materiales de grafeno

Perspectivas futuras para las baterías de grafeno

Reducir los costos de fabricación

Las láminas de grafeno se pueden cultivar de diversas maneras, pero la más común es la deposición química en fase de vapor (CVD). La CVD consiste en depositar materiales, en estado gaseoso, sobre un sólido calentado. Sin embargo, estos métodos consumen mucha energía y, por lo tanto, son costosos. El rendimiento de las baterías de grafeno depende de la alta pureza y la baja cantidad de defectos del grafeno, lo que también incrementa el coste de fabricación. Estos métodos de laboratorio han demostrado su eficacia para dispositivos a pequeña escala; sin embargo, el coste cobrará mayor importancia a medida que la industria crezca.

Mejorar la capacidad de carga

El grafeno tiene una capacidad teórica de entre 100 y 1000 mAh g ^-1 , dependiendo de cómo se haya fabricado y de los defectos presentes.Se han logrado capacidades de hasta 1264 mAh g ^-1 utilizando un ánodo de grafeno en una batería de iones de litio.Sin embargo, las baterías de iones de litio por sí solas han alcanzado capacidades de 3860 mAh g ^-1 .A pesar de que la capacidad del grafeno es sólo un tercio de lo que puede lograr el litio, es un material relativamente nuevo y la investigación aún continúa.

Minimizar el impacto ambiental

Aunque el grafeno no se extrae de la minería, como el litio o el aluminio, tampoco es una alternativa totalmente sostenible. Los métodos de fabricación de grafeno consumen mucha energía y son difíciles de reciclar. Existe la posibilidad de utilizar residuos de carbono para producir grafeno; sin embargo, esto puede introducir un número significativo de defectos.

Funete: ossila.