Un gran avance en el grafeno sugiere el futuro de la energía de la batería

Desde computadoras portátiles que se cargan en 15 minutos hasta scooters eléctricos, la primera ronda de productos basados ​​en grafeno finalmente podría cumplir la promesa del material maravillosamente publicitado.

Tome el autobús 1E desde el centro de Belgrado, Serbia y viajará en el futuro.

Los cinco autobuses eléctricos Chariot que se ejecutan en esta ruta son algunos de los primeros en el mundo que funcionan exclusivamente con supercondensadores, una alternativa de carga rápida a las baterías que podría revolucionar la forma en que almacenamos energía.

En lugar de mantener la electricidad como potencial químico, como una batería, los supercondensadores (también conocidos como ultracondensadores) la almacenan en un campo eléctrico, como la acumulación de estática en un globo. Como no se produce ninguna reacción química, no se degradan como las baterías de iones de litio, que se basan en metales de tierras raras y pueden terminar en vertederos después de dos años. Esto significa que puede cargarlos mucho más rápido: una carga de cinco minutos para uno de los autobuses de Belgrado puede transportarlo hasta 18 kilómetros.

Hay dos razones por las que los supercondensadores aún no han reemplazado las baterías de nuestros autos eléctricos y electrónicos: tienen menos energía en la misma cantidad de espacio y no pueden mantenerla por tanto tiempo. Un supercondensador completamente cargado puede drenar en unas pocas horas, en lugar de unos días.

Es bueno para un autobús que se puede cargar en cada estación, pero menos útil para un automóvil que tiene que funcionar todo el día. Pero ahora, varios investigadores y empresas emergentes están tratando de mejorar los supercondensadores. Para ello, recurrieron a uno de los materiales más famosos de la historia: el grafeno.

Descubierto en la Universidad de Manchester en 2004, el grafeno, que consiste en delgadas escamas de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal, fue rápidamente aclamado como un material milagroso. Es fuerte y ligero, con una gran superficie y es un excelente conductor tanto del calor como de la electricidad. Pero la prometida revolución del grafeno aún no se ha materializado. “Todavía es un adolescente”, dice James Baker, director ejecutivo de Graphene @ Manchester.

Los autobuses de Belgrado utilizan supercondensadores hechos de capas de carbón activado, que están cubiertos por placas conductoras sumergidas en una solución de electrolito. El grafeno también es una forma de carbono, pero debido a su enorme superficie (que determina el rendimiento de un supercondensador) tiene el potencial de mejorar radicalmente el rendimiento de los supercondensadores hasta un nivel en el que se vuelven prácticos para los coches eléctricos y los dispositivos de consumo. Podría crear teléfonos inteligentes que se carguen en segundos y automóviles que puedan repostar mientras están detenidos en un semáforo.

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Se estima que el mercado de las baterías de grafeno alcanzará los 115 millones de dólares en 2022, pero tiene un enorme potencial más allá de eso, a medida que la tecnología mejora, y varias empresas han atraído un interés significativo en su trabajo.

Entre ellos se encuentra la empresa china Dongxu Optoelectronics, que ha anunciado un supercondensador de grafeno con la capacidad de una batería de portátil típica que podría cargarse en 15 minutos, en lugar de unas pocas horas. La start-up Earthdas de Barcelona utilizó grafeno para crear supercondensadores para bicicletas y motocicletas eléctricas, que se pueden cargar 12 veces más rápido que las baterías de iones de litio. Planea comenzar a venderlos a finales de este año.

Muchos de esta nueva generación de supercondensadores no son estrictamente grafeno, un término que técnicamente se refiere solo a láminas de carbono bidimensionales. Aunque ya tiene una superficie enorme, se están haciendo esfuerzos para aumentarla adaptando el grafeno de diferentes maneras: insertando pequeños orificios y canales en él o texturizándolo a nivel de nanoescala.

La empresa estonia SkeletonTech ofrece una gama de productos que incorporan grafeno curvo, mientras que ZapGo, de Oxfordshire, utiliza una mezcla de grafeno y nanotubos de carbono que se asemejan a picos y valles en lugar de capas planas. Sus primeros productos, un scooter eléctrico y un kit de inicio rápido para automóviles, ingresarán al mercado a fines de este año.

Sin embargo, todavía queda trabajo por hacer antes de que los supercondensadores de grafeno puedan mantener su carga el tiempo suficiente como para ser una alternativa práctica a los iones de litio para la mayoría de las aplicaciones. Algunos han sugerido sistemas híbridos: supercondensadores para carga rápida, con baterías tradicionales para almacenamiento a largo plazo.

Otro problema potencial podría ser la expansión de la producción: debido a la exageración, la industria del grafeno se ha convertido en un campo minado de promesas incumplidas y control de calidad. El mes pasado, el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido lanzó una iniciativa para ayudar a las empresas a comprobar que realmente están recibiendo lo que pagan cuando compran grafeno.

Aunque es mucho más respetuoso con el medio ambiente que el conjunto de iones de litio y se puede reciclar mucho más fácilmente, los procesos de producción más comunes de grafeno aún involucran productos químicos agresivos, que pueden no ser sostenibles si proporciona un coche eléctrico compartido que podría alcanzar. 125 millones de vehículos para 2030. Pero si los investigadores pueden resolver estos problemas y trabajar en ellos, entonces el grafeno podría cambiar fundamentalmente la forma en que se construye nuestro mundo.

“Lo interesante para mí es cuando empiezas a mirar todo el sistema y lo haces de una manera diferente”, dice Baker. “¿Puedo convertir mi estructura en un dispositivo de almacenamiento de energía?” Luego, comienza a obtener los beneficios del peso ligero, junto con un mayor espacio de almacenamiento, puede agregar flexibilidad y, de repente, puede obtener algunos tipos de soluciones bastante nuevos. “

En el sur de Francia, Ulrich Grape y Pascal Boulanger de NAWAShell tienen planes para construir supercondensadores basados ​​en carbono en electrónica, vehículos e incluso calzado. Su tecnología utiliza nanotubos de carbono, miles de millones de ellos por centímetro cuadrado, que pueden incorporarse o recubrirse con otros materiales, como polímeros flexibles, para teléfonos plegables y artículos portátiles o fibras de carbono resistentes y ligeras.

Podría usarse para fabricar computadoras portátiles con baterías integradas en la carcasa o autos eléctricos que almacenan energía en sus puertas o chasis en lugar de en baterías grandes. “En cierto modo, será como tener un automóvil sin baterías”, dice Grape, quien estima que con el nivel actual de tecnología NAWAShell, una pequeña batería estructural en el chasis de un automóvil eléctrico liviano podría agregar autonomía. 15 km adicionales. Finalmente, podría acumular energía en las paredes de su hogar. “Integre una nueva función en un compuesto”, explica Boulanger. “No cambie el comportamiento mecánico de la estructura”.

En 2017, Lamborghini anunció una asociación con el Instituto de Tecnología de Massachusetts para desarrollar el Terzo Millennio, un concepto para un superdeportivo eléctrico impulsado por materiales similares al grafeno incrustados en su cuerpo de fibra de carbono. La tecnología está mejorando rápidamente, y podría estar en nuestros teléfonos a principios de la década de 2020, pero pasará algún tiempo antes de que sea lo suficientemente buena para impulsar un Prius, y mucho menos un automóvil deportivo de última generación. Eventualmente, los supercondensadores de grafeno o materiales como este formarán una parte importante de nuestro mundo. Pero por ahora, tendremos que conformarnos con un viaje en autobús desde Belgrado.

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