Un material maravilloso para las baterías del mañana: tecnología de baterías de grafeno para el futuro del almacenamiento de energía

La transición hacia fuentes de energía renovable como la solar y la eólica requiere nuevos métodos de almacenamiento de energía. Las nubes pueden ocultar el sol durante días y la energía solar es completamente inaccesible por la noche; el viento puede ser aún más variable. El almacenamiento nos ayuda a superar las inevitables brechas de generación y cubre los aumentos locales en el consumo de energía.

Las baterías de iones de litio actuales son increíbles, pero solo pueden cargarse y descargarse a cierta velocidad y tienen una vida útil limitada. Además, extraer litio de la tierra es complicado y tiene sus propios impactos ambientales. Actualmente, EE. UU. produce menos del 1% del litio mundial, lo que lo convierte en un posible cuello de botella para la producción.

Los supercondensadores, que pueden cargarse/descargarse a una velocidad mucho mayor y con mayor frecuencia que las baterías de iones de litio, ahora se utilizan para complementar el almacenamiento actual de baterías para rápidas entradas y salidas de energía. La tecnología de baterías de grafeno —o los supercondensadores basados en grafeno— pueden ser una alternativa a las baterías de litio en algunas aplicaciones.

La gran ventaja de los supercondensadores es su alta capacidad de potencia. La desventaja es una baja densidad de energía total. Estas propiedades pueden parecer contradictorias, pero considere la definición de ambos términos:

Mientras que la unidad en el numerador es la misma, son dos cantidades distintas. La potencia es la capacidad de liberar una cantidad de energía durante un período de tiempo específico, mientras que la densidad de energía es la capacidad de almacenar una cantidad específica de energía, independientemente del período de tiempo.

Valores altos para ambos serían ideales, pero los supercondensadores típicamente tienen una alta capacidad de descarga de potencia y una baja densidad de energía. Por lo tanto, mientras que un supercondensador puede producir una explosión masiva de energía instantáneamente, no puede mantener esto (o una tasa más baja) de salida de energía durante tanto tiempo como una batería de ion de litio comparable. Las aplicaciones actuales a menudo utilizan un supercondensador para nivelar las entradas o gastos masivos de energía (por ejemplo, el frenado regenerativo y la aceleración rápida), mientras que las necesidades de energía a largo plazo son manejadas por baterías.

El desafío es aumentar la densidad de energía de los supercondensadores mientras se mantiene una excelente capacidad de potencia instantánea. La respuesta viene en forma del material maravilloso, el grafeno.

Los supercondensadores comúnmente utilizan capas de ánodo y cátodo hechas de láminas metálicas recubiertas con carbón activado y separadas por una membrana semipermeable que contiene una solución electrolítica. Las capas de este sándwich de carbón/membrana se enrollan o apilan en una carcasa de condensador, lo que les permite almacenar cargas mediante el movimiento de iones en el electrolito.

El carbón activado puede ser muy delgado en este papel, del orden de 1/10 mm de espesor, pero tiene una alta área de superficie: varios centímetros cuadrados por cada partícula de .1mm. El grafeno, sin embargo, viene en hojas de moléculas 2D que tienen 1 átomo de espesor, con una área de superficie específica similar al carbón activado. Se puede extender en una capa extremadamente delgada para una disposición de conductor ultra denso. El grafeno es un excelente conductor, lo que significa una pérdida mínima de calor y, hipotéticamente, una mejor entrega de energía que incluso los supercapacitores de carbón activado.

El problema es fabricar condensadores de grafeno a gran escala. Sin embargo, dado el potencial del grafeno, los investigadores están trabajando en este tipo de implementación a puertas cerradas. Aunque el grafeno podría no eliminar por completo las baterías de iones de litio, las mejoras en los supercondensadores utilizando grafeno podrían ayudar a que este dispositivo de almacenamiento de energía sea más denso y eficiente.

El grafeno no es la única opción de almacenamiento avanzado que se está desarrollando. El uso de nanotubos de carbono, otra disposición de carbono en moléculas tubulares largas, en contraste con las láminas de grafeno, también se ha propuesto para el papel de almacenamiento de energía. Las bolas de grafeno y el grafeno curvado/arrugado son otras posibilidades basadas en carbono para el almacenamiento de energía.

Si bien la capacidad de entregar una gran cantidad de energía es algo positivo, debe controlarse para su uso adecuado. Los transistores SiC pueden utilizarse en este rol. Junto con esto, las tecnologías de medición de corriente deben implementarse para garantizar una aplicación adecuada de energía y potencia.

Curiosamente, la producción avanzada de carbono en sus diversas formas junto con el silicio (y la combinación de ambos) parece ser la ola del futuro para el manejo de energía. La dificultad hoy en día es tomar ideas que funcionarán en teoría y/o en pequeña escala y llevarlas a productos cotidianos que mejoren nuestras vidas. Una vez que estas técnicas se perfeccionen e implementen, podemos prever un futuro más eficiente en energía con dispositivos aún más capaces.