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El Instituto Tecnológico de la Energía trabaja en el desarrollo de baterías con grafeno

Las extraordinarias propiedades de este material, 100 veces más resistente que el acero, permiten desarrollar dispositivos altamente sensibles y baterías para vehículos y dispositivos inteligentes, entre múltiples aplicaciones.

En España se está trabajando en la definición del proyecto de Ley de Cambio Climático y Transición Energética, que incluye medidas para fomentar el empleo de energías renovables, la movilidad eléctrica y el desarrollo de dispositivos energéticos más eficientes para la reducción de las emisiones. Se trata de un impulso para alcanzar la neutralidad climática en el año 2050. 

En este contexto, el centro tecnológico Valenciano ITE, perteneciente a REDIT y con el apoyo del IVACE, está trabajando en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía con mayores capacidades y funcionalidades hechas a medida -deformables, capaces de responder a un estímulo, sensores, etc.–, entre otros dispositivos. Para ello es necesario el empleo de materiales novedosos con propiedades mejoradas que puedan resolver estos retos. El grafeno se postula como un candidato a participar en esta transición. 

Llamado a convertirse en el material del siglo XXI gracias a sus extraordinarias propiedades tanto a nivel químico como mecánico, el grafeno es un material novedoso consistente en una lámina de átomos de carbono de espesor atómico con una disposición de tipo panal de abeja, considerándose el límite físico para un material en 2D. Es un material 100 veces más resistente que el acero, 1 millón de veces más fino que el cabello humano, es flexible y transparente (una lámina de grafeno deja pasar el 97,7 % de la luz blanca). Además, es un buen conductor de la electricidad y del calor. 

La elevada área superficial y el espesor atómico, donde todos los átomos de carbono que forman la lámina están expuestos al ambiente, hacen que sea un buen material para el desarrollo de sensores y capaz de responder ante estímulos externos como pueden ser las variaciones de temperatura o presión, la presencia de un gas o a la fricción de un líquido.

Baterías de grafeno: una nueva era en el almacenamiento de energía 

La densidad de energía de las baterías sigue siendo un aspecto clave a mejorar pese a los avances realizados en los últimos años. El grafeno es un material que, por sus características (similares a las del grafito empleado como material activo en los ánodos), puede intercalar los iones litio entre sus láminas en el proceso de carga de la batería. Sin embargo, a diferencia del grafito, donde las láminas están apiladas, en el caso del grafeno, la separación entre láminas hace que la capacidad de intercalación de iones litio durante el proceso de carga aumente, y por tanto se produce una mejora en la capacidad de carga. Los grafenos con elevado tamaño de lámina proporcionarán una mayor superficie de intercalación de iones litio. 

Además, al ser un material muy conductor, se mejora la circulación de la corriente a través de los electrodos y eso se traduce en una mejora de las prestaciones de las baterías. La elevada conductividad térmica del grafeno puede ayudar a disipar mejor el calor de los dispositivos mejorando su seguridad. 

Las baterías de grafeno con mayores capacidades de carga permiten almacenar mayor cantidad de esta energía para ser empleada en otro momento donde sea necesaria. 

El Instituto Tecnológico de la Energía está llevando a cabo el desarrollo de sistemas de generación y almacenamiento de energía basados en grafeno mediante el proyecto eGRAF a través de las ayudas Torres Quevedo (REF: PTQ-17-09497), y está enmarcado en el Programa Estatal de Promoción del Talento y su Empleabilidad del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

Conociendo mejor a este supermaterial 

El grafeno es un material formado exclusivamente por átomos de carbono y posee, por tanto, exactamente la misma composición que el grafito. El grafito es un material abundante en la corteza terrestre, y está presente en la vida diaria, por ejemplo, en las minas de los lápices. Las características en cuanto a estructura entre el grafeno y el grafito son muy similares, sin embargo, las propiedades de cada uno de ellos son muy dispares. El grafito está formado por el apilamiento de millones de láminas de grafeno. En un símil cotidiano, el grafito corresponde a un paquete de folios, y el grafeno sería únicamente uno de esos folios aislado. 

El aislamiento de una lámina de grafeno resultó ser una tarea difícil, que no fue posible hasta el año 2004, cuando los profesores Geim y Novoselov, de la Universidad de Manchester, fueron capaces de aislarlo y estudiar sus propiedades. En ese momento se descubrieron las extraordinarias propiedades que presentaba este material a diferencia de los que sucede con el grafito, siendo a posteriori galardonados con el premio Novel de Física en el año 2010. A partir de ese momento, se produce un gran interés en el estudio y empleo de sus propiedades para distintas aplicaciones en ámbitos muy distintos (energía, electrónica flexible, medio ambiente, materiales, etc.). 

Precisamente en el sector de la energía, se ha demostrado que el grafeno puede aportar mejoras en dispositivos tanto de generación como de almacenamiento de energía. El Instituto Tecnológico de la Energía, a través del proyecto eGRAF, está trabajando en una doble línea de investigación en el desarrollo de materiales basados en grafeno que posean características estructurales adecuadas para ser aplicados en sensores y sistemas de almacenamiento de energía. 

A la vista de los avances llevados a cabo en la actualidad en el sector de la energía empleando grafeno, todos los expertos apuntan a que este material se postula como uno de los principales actores, junto con otros materiales complementarios, en la transformación de los dispositivos energéticos. 

Fuente: Pv-magazine