Los investigadores han investigado durante mucho tiempo el uso de silicio en baterías de iones de litio, ya que tiene el potencial de aumentar considerablemente la capacidad de almacenamiento en comparación con el grafito, el material utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio convencionales. Según algunas estimaciones, el silicio podría presumir de una capacidad de almacenamiento de litio de 4.200 mAh / g, 11 veces la de grafito.

Sin embargo, a pesar de sus beneficios, el silicio tiene sus propios desafíos.

«Cuando almacena una gran cantidad de iones de litio en su silicio, realmente extiende físicamente el volumen de silicio a aproximadamente 3 a 3,8 veces su volumen original, por lo que es una gran expansión«, explicó Bor Jang, PhD, en una entrevista exclusiva con la revista R & D Magazine .

«Eso por sí solo no es un gran problema, pero cuando descarga su batería, como cuando abre su teléfono inteligente, el silicio se reduce. Luego, cuando recargas la batería, el silicio se expande nuevamente. Esta expansión y contracción repetidas conducen a la ruptura de las partículas dentro de la batería, por lo que pierde su capacidad «.

Jang ofrece una solución: el grafeno, una lámina de una sola capa de átomos de carbono estrechamente unidos en una red hexagonal de panal.

«Hemos encontrado que el grafeno desempeña un papel fundamental en la protección del silicio«, dijo Jang, CEO y científico jefe de Global Graphene Group. La organización de materiales avanzados con sede en Ohio ha creado GCA-II-N, un ánodo compuesto de grafeno y silicio para su uso en baterías de iones de litio.

La innovación, que fue ganadora del Premio R&D 100 2018, tiene el potencial de tener un impacto significativo en el espacio de almacenamiento de energía. Jang compartió más sobre el grafeno, GCA-II-N y sus posibles aplicaciones en su entrevista con la revista R&D.

R&D Magazine: ¿Por qué el grafeno es un material tan bueno para el almacenamiento de energía?

Jang: Desde el principio, cuando invitamos al grafeno en 2002, nos dimos cuenta de que el grafeno tiene ciertas propiedades únicas. Por ejemplo, tiene una conductividad eléctrica muy alta, una conductividad térmica muy alta, tiene una resistencia muy alta; de hecho, es probablemente el material más fuerte conocido naturalmente por la humanidad. Pensamos que podríamos hacer uso del grafeno para producir el material del ánodo que no podemos mejorar significativamente la fuerza del electrodo en sí, sino que también podemos disipar el calor más rápido, al mismo tiempo que reducimos los cambios de la batería a prenderse fuego o explotar.

Además, el grafeno es extremadamente delgado: un grafeno de una sola capa es de 0,34 nanómetros (nm). Puede imaginar que si tuviera un tejido que fuera tan delgado como de 0,34 nanómetros de grosor, podría utilizar este material para envolver casi cualquier cosa. Así que es un muy buen material de protección en ese sentido. Esa es otra razón para la flexibilidad de este material de grafeno.

Otra característica interesante del grafeno es que es un área de superficie específica muy alta. Por ejemplo, si te doy 1,5 gramos de grafeno de una sola capa, será suficiente para cubrir todo un estadio de fútbol. Hay una gran cantidad de superficie por unidad de peso con este material.

Eso se traduce en otra propiedad interesante en el área de almacenamiento. En ese campo se trata de un dispositivo llamado supercapacitores o ultracapacitores. El funcionamiento de los supercapacitores depende de las áreas de la superficie conductora, como el grafeno o el carbón activado. Estas planchas de grafeno tienen, para ser exactos, 2630 metros cuadrados por gramo. Eso le daría, en principio, una capacidad muy alta por unidad de gramo de este material cuando lo use como un material electrónico para supercapacitores. Hay tantas propiedades asociadas con el grafeno para aplicaciones de energía, son solo ejemplos, ¡podría hablar de esto todo el día!

Revista R&D: ¿Dónde está el equipo actualmente con GCA-II-N y cuáles son los próximos pasos para este proyecto?

Jang: El año pasado comenzamos a vender el producto. En Dayton, OH, donde nos encontramos en este momento tenemos una planta de fabricación a pequeña escala. Ahora se trata de una instalación de capacidad de 50 toneladas métricas y podemos escalarla fácilmente. Hemos estado produciendo cualidades masivas de esto y luego entregándolas a algunos de los clientes potenciales para su validación. Estamos básicamente en la etapa de validación de clientes para este negocio en este momento.

Continuaremos haciendo investigación y desarrollo para este proyecto. Eventualmente, fabricaremos las baterías aquí en los Estados Unidos, pero en este momento solo estamos haciendo los materiales del ánodo.

R&D Magazine: ¿Qué tipos de clientes están mostrando interés en esta tecnología?

Jang: los vehículos eléctricos son un área grande que está creciendo rápidamente, particularmente en áreas de Asia como China. La industria de vehículos eléctricos está tomando el asiento del conductor y está impulsando el crecimiento de este negocio en todo el mundo en este momento. E-bikes y scooters electrónicos son otro negocio en rápido crecimiento donde se podría utilizar.

Otro ejemplo es su teléfono inteligente. En este momento, si continúa usando su teléfono, puede durar medio día o tal vez un día entero si lo empuja. Esta tecnología tiene la capacidad de duplicar la cantidad de energía que podría almacenarse en su batería. Los dispositivos electrónicos son otra gran área para la aplicación de esta tecnología.

Una tercera área es el negocio de almacenamiento de energía, que podría utilizarse para almacenar energía solar o eólica después de que haya sido capturada. Las baterías de iones de litio están ganando mucho terreno en este mercado en este momento.

En este momento, otra zona de rápido crecimiento es el avión no tripulado. Los drones se utilizan, no solo para la diversión, sino también con fines agrícolas o de vigilancia, como durante desastres naturales. Los drones están viendo muchas aplicaciones en este momento y las baterías son una parte muy importante de eso.

Revista R&D: ¿Hay algún problema para trabajar con el grafeno?

Jang: Uno de los principales desafíos es que el grafeno por sí solo sigue siendo un costo relativamente alto. Estamos realizando procesos de segunda generación en este momento, y creo que en un par de años deberíamos poder reducir significativamente el costo del grafeno. También estamos trabajando en una tercera generación de procesos que nos permitiría reducir el costo aún más. Este es un obstáculo importante para la comercialización a gran escala de todas las aplicaciones de grafeno.

El segundo desafío es la noción de grafeno como un llamado ‘nanomaterial’ en espesor que a muchos clientes les resulta difícil dispersarse en agua o dispersarse en solvente orgánico o plástico para combinar el grafeno con otros tipos de materiales, haga un compuesto fuera de el. Por eso las personas son resistentes a usarlo. Hemos encontrado una manera de superar este desafío real, o un desafío percibido. Podemos hacer eso para un cliente y luego enviarlo directamente al cliente.

También hay un reto educativo. A veces es difícil convencer a los ingenieros, ellos quieren seguir con los materiales con los que están más familiarizados, a pesar de que el rendimiento es mejor con el grafeno. Esa es una barrera también. Sin embargo, creo que es cada vez más conocido.

Via: https://www.rdmag.com/article/2019/01/graphene-silicon-combo-could-be-key-next-gen-lithium-ion-batteries