Inicio Baterías de grafeno: Introducción y novedades del mercado

Baterías de grafeno: Introducción y novedades del mercado

El Grafeno y las baterías

El grafeno es una lámina de átomos de carbono unidos en un patrón de celosía de panal de abeja, es ampliamente reconocido como un “material maravilloso” debido a la gran cantidad de atributos sorprendentes que posee. Es un potente conductor de energía eléctrica y térmica, extremadamente liviano químicamente inerte y flexible con una gran área de superficie. También se considera ecológico y sostenible, con posibilidades ilimitadas para numerosas aplicaciones.

Las ventajas de las baterías de grafeno.

En el campo de las baterías, los materiales de electrodos de baterías convencionales (y los posibles) se mejoran significativamente cuando se mejoran con grafeno. El grafeno puede hacer que las baterías sean livianas, duraderas y adecuadas para el almacenamiento de energía de gran capacidad, además de reducir los tiempos de carga. El grafeno extenderá la vida útil de la batería, que está vinculada negativamente a la cantidad de carbono que se recubre del material o se agrega a los electrodos para lograr la conductividad, y el grafeno agrega conductividad sin requerir las cantidades de carbono que se utilizan en las baterías convencionales.

El grafeno puede mejorar los atributos de la batería como la densidad de energía y la forma de varias maneras. Las baterías de ión de litio se pueden mejorar introduciendo el grafeno en el ánodo de la batería y aprovechando la conductividad del material y los rasgos de gran área de superficie para lograr la optimización y el rendimiento morfológico.

También se ha descubierto que la creación de materiales híbridos también puede ser útil para lograr la mejora de la batería. Un híbrido de óxido de vanadio (VO 2) y grafeno, por ejemplo, se puede usar en los cátodos de iones de litio y garantiza una carga y descarga rápidas, así como una gran durabilidad del ciclo de carga. En este caso, el VO 2 ofrece una alta capacidad de energía pero una mala conductividad eléctrica, que se puede resolver utilizando el grafeno como una especie de “espina dorsal” estructural sobre la cual se puede unir el VO 2 , creando un material híbrido que tiene tanto capacidad como una excelente conductividad.

Otro ejemplo son las baterías LFP (fosfato de hierro y litio), que es un tipo de batería recargable de ion de litio. Tiene una densidad de energía más baja que otras baterías de ion de litio pero una densidad de energía más alta (un indicador de la velocidad a la que la batería puede suministrar energía). La mejora de los cátodos de LFP con grafeno permitió que las baterías fueran livianas, que se cargaran mucho más rápido que las baterías de ion de litio y tienen una capacidad mayor que las baterías de LFP convencionales.

Además de revolucionar el mercado de las baterías, el uso combinado de baterías de grafeno y supercapacitores podría producir resultados sorprendentes, como el concepto destacado de mejorar el rango de conducción y la eficiencia del automóvil eléctrico.

Fundamentos de la batería

Las baterías sirven como una fuente de energía móvil, lo que permite que los dispositivos que funcionan con electricidad funcionen sin estar conectados directamente a una toma de corriente. Si bien existen muchos tipos de baterías, el concepto básico por el cual funcionan es similar: una o más celdas electroquímicas convierten la energía química almacenada en energía eléctrica. Una batería generalmente está hecha de una carcasa de plástico o metal, que contiene un terminal positivo (un ánodo), un terminal negativo (un cátodo) y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre ellos. Un separador (una membrana polimérica permeable) crea una barrera entre el ánodo y el cátodo para evitar cortocircuitos eléctricos al tiempo que permite el transporte de portadores de carga iónica que son necesarios para cerrar el circuito durante el paso de la corriente. Finalmente, se utiliza un colector para conducir la carga fuera de la batería.

Esquema de una batería

Cuando se completa el circuito entre los dos terminales, la batería produce electricidad a través de una serie de reacciones. El ánodo experimenta una reacción de oxidación en la que dos o más iones del electrolito se combinan con el ánodo para producir un compuesto, liberando electrones. Al mismo tiempo, el cátodo atraviesa una reacción de reducción en la que la sustancia del cátodo, los iones y los electrones libres se combinan para formar compuestos. En pocas palabras, la reacción del ánodo produce electrones, mientras que la reacción en el cátodo los absorbe y, a partir de ese proceso, se produce electricidad. La batería continuará produciendo electricidad hasta que los electrodos se queden sin la sustancia necesaria para la creación de reacciones.

Tipos de batería y características

Las baterías se dividen en dos tipos principales: primaria y secundaria. Las baterías primarias (desechables) se usan una vez y se vuelven inútiles, ya que los materiales de los electrodos en ellas cambian irreversiblemente durante la carga. Algunos ejemplos comunes son la batería de zinc-carbono y la batería alcalina utilizada en juguetes, linternas y una multitud de dispositivos portátiles. Las baterías secundarias (recargables) se pueden descargar y recargar varias veces, ya que la composición original de los electrodos puede recuperar la funcionalidad. Los ejemplos incluyen baterías de plomo-ácido usadas en vehículos y baterías de iones de litio usadas para electrónica portátil.

Las baterías vienen en varias formas y tamaños para innumerables propósitos diferentes. Diferentes tipos de baterías presentan variadas ventajas y desventajas. Las baterías de níquel-cadmio (NiCd) tienen una densidad de energía relativamente baja y se utilizan cuando la vida útil, la alta tasa de descarga y el precio económico son fundamentales. Se pueden encontrar en cámaras de video y herramientas eléctricas, entre otros usos. Las baterías de NiCd contienen metales tóxicos y son perjudiciales para el medio ambiente. Las baterías de hidruro de níquel-metal tienen una mayor densidad de energía que las de NiCd, pero también tienen una vida útil más corta. Las aplicaciones incluyen teléfonos móviles y computadoras portátiles. Las baterías de plomo-ácido son pesadas y desempeñan un papel importante en aplicaciones de gran potencia, donde el peso no es esencial, pero sí lo es el precio económico. Son frecuentes en usos como equipamiento hospitalario e iluminación de emergencia.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) se utilizan donde la alta energía y el peso mínimo son importantes, pero la tecnología es frágil y se requiere un circuito de protección para garantizar la seguridad. Las aplicaciones incluyen teléfonos celulares y varios tipos de computadoras. Las baterías de polímero de iones de litio (polímero de iones de litio) se encuentran principalmente en los teléfonos móviles. Son ligeros y disfrutan de una forma más delgada que la de las baterías de ion-litio. También suelen ser más seguros y tienen vidas más largas. Sin embargo, parecen ser menos frecuentes ya que las baterías de ion-litio son más baratas de fabricar y tienen una mayor densidad de energía.

Baterias y supercondensadores

Si bien hay ciertos tipos de baterías que pueden almacenar una gran cantidad de energía, son muy grandes, pesadas y liberan energía lentamente. Los condensadores, por otro lado, pueden cargarse y descargarse rápidamente, pero retienen mucha menos energía que una batería. Sin embargo, el uso de grafeno en esta área presenta nuevas y emocionantes posibilidades para el almacenamiento de energía, con altas tasas de carga y descarga e incluso una asequibilidad económica. El rendimiento mejorado con grafeno desdibuja la línea de distinción convencional entre supercapacitores y baterías.

Las baterías de grafeno combinan las ventajas de las baterías y los supercapacitores

Productos comerciales para baterías con grafeno mejorado

Las baterías basadas en grafeno tienen un potencial interesante y, aunque aún no están disponibles comercialmente, la I + D es intensiva y se espera que produzca resultados en el futuro.

En noviembre de 2016, Huawei presentó una nueva batería de ión de litio con grafeno mejorado que puede permanecer funcional a una temperatura más alta (60 ° grados en comparación con el límite existente de 50 °) y ofrece un tiempo de operación más prolongado, el doble que lo que se puede lograr con el anterior baterías. Para lograr este avance, Huawei incorporó varias tecnologías nuevas, incluidos aditivos anti-descomposición en el electrólito, cátodos de cristal único químicamente estabilizados, y grafeno para facilitar la disipación del calor. Huawei dice que el grafeno reduce la temperatura de funcionamiento de la batería en 5 grados.

En junio de 2014, Vorbeck Materials , con sede en EE. UU., Anunció la correa Vor-Power , una fuente de energía flexible y liviana que se puede conectar a cualquier correa de bolsa existente para habilitar una estación de carga móvil (mediante 2 puertos USB y uno micro USB). El producto pesa 450 gramos, proporciona 7.200 mAh y es probablemente la primera batería mejorada con grafeno del mundo.

En mayo de 2014, la compañía estadounidense Angstron Materials lanzó varios productos nuevos de grafeno . Se dice que los productos estarán disponibles aproximadamente a fines de 2014, e incluyen una línea de materiales de ánodo con grafeno para baterías de iones de litio. Los materiales de la batería se denominaron “NANO GCA” y se supone que dan como resultado un ánodo de alta capacidad, capaz de soportar cientos de ciclos de carga / descarga al combinar silicio de alta capacidad con refuerzo mecánico y grafeno conductor.

También se realizan desarrollos en el campo de las baterías de grafeno para vehículos eléctricos. Henrik Fisker, quien anunció su nuevo proyecto de EV que lucirá una batería mejorada con grafeno, dio a conocer en noviembre de 2016 lo que se espera sea un competidor para Tesla. Llamado EMotion, el automóvil deportivo eléctrico alcanzará una velocidad máxima de 161 mph (259 kmh) y un alcance eléctrico de 400 millas .

El plan de Graphene Nanochem y Sync R & D de octubre de 2014 para co-desarrollar baterías de ión de litio mejoradas con grafeno para autobuses eléctricos , en el marco del programa Electric Bus 1 Malaysia, es otro ejemplo.

En agosto de 2014, Tesla sugirió el desarrollo de una “nueva tecnología de baterías” que casi se duplicará la capacidad de su coche eléctrico modelo S . No es oficial, pero es razonable asumir la participación del grafeno en esta batería.

Perpetuus Carbon Group, con sede en el Reino Unido, y OXIS Energy acordaron en junio de 2014 desarrollar conjuntamente electrodos a base de grafeno para baterías de litio-azufre , que ofrecerán una mayor densidad de energía y posiblemente permitirán que los vehículos eléctricos conduzcan una distancia mucho más larga con una sola carga de batería.

Otra empresa interesante, anunciada en septiembre de 2014 por Graphene 3D Labs con sede en EE. UU., Se refiere a los planes para imprimir baterías de grafeno en 3D . Estas baterías basadas en grafeno pueden potencialmente superar a las baterías comerciales actuales, así como adaptarse a diferentes formas y tamaños.

Otras compañías destacadas que declararon su intención de desarrollar y comercializar productos de baterías con grafeno mejorado son: Grafoid , SiNode junto con AZ Electronic Materials , XG Sciences , Graphene Battery , junto con CVD Equipment y CalBattery.