El futuro del grafeno (II): energía

BOLETIN DE OBSERVACION TECNOLOGICA 47

tecnologías emergentes El futuro del grafeno (II): energía Autor: Héctor Criado de Pastors, OT ENEP, SDG PLATIN. Palabras clave: Grafeno, material compuesto, nanotecnología, energía, energía fotovoltaica, supercondensadores, pilas de combustible, energy harvesting Metas Tecnológicas relacionadas: MT 3.3.1; MT 3.3.4; MT 3.4.3. Como continuación de la serie de ar-tículos sobre el futuro del grafeno y su aplicación en el ámbito de defensa que comenzó en el número anterior de este Boletín, este artículo analiza las implicaciones que tiene el desa-rrollo del grafeno en distintas aplica-ciones en el campo de la energía. Dadas las características genéricas de este material (alta conductividad tér-mica y eléctrica, elevadas propiedades mecánicas y estructurales, gran resis-tencia al desgaste por fricción y capa-cidad de protección frente a la corro-sión y degradación elevada densidad superficial), así como algunas especí-ficas según sus aplicaciones, de for-ma general puede considerarse que el desarrollo del grafeno puede abrir el desarrollo de numerosas líneas de investigación en distintas tecnologías y usos mejorando de forma sustancial sus prestaciones en este ámbito. Baterías La versatilidad del grafeno y sus posi-bilidades de combinación con meta-les hacen que sus aplicaciones en el campo de las baterías sean múltiples. Actualmente se considera que la tecno-logía de baterías Li-ion liderará los mer-cados residencial y de vehículos eléc-tricos en los próximos años. Una de las barreras principales para esta tecnolo-gía es la necesidad de nuevos ánodos, debido a que los usados actualmente, basados en grafito, presentan una baja capacidad específica (valor teórico máximo de 372 mAh/g), mientras que otros materiales alternativos (silicio, estaño) presentarían un bajo número de ciclos de carga antes de disminuir las prestaciones de la batería. Dentro de las diversas variedades de ánodos basados en grafeno que se están de-sarrollando, se pueden alcanzar valo-res en un rango de 800 a 1200 mAh/g. Estos valores permitirían una velocidad de carga/descarga hasta cuatro veces superior a las de las baterías actuales. Fig. 1. Comparativa de sistemas de almacenamiento electroquímico según su potencia específica y energía específica. (Fuente: Andrea C. Ferrari et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems Nanoscale 2015, Volume 7). Por otro lado, se espera que a largo plazo se desarrollen materiales com-puestos grafeno-silicio y grafeno-litio, permitiendo nuevas químicas para baterías de metal-aire como las de Li-O2, que podrían alcanzar una den-sidad energética de un orden de mag-nitud superior a las baterías de Li-ion actuales (del orden de 3500 Wh/kg frente a los 300 Wh/kg). Tanto la mejora de la velocidad de carga y descarga, manteniendo la vida útil, como la reducción de peso son factores clave en el diseño y uso de baterías en entorno militar, ya sean para uso de combatiente como en plataformas. Supercondensadores Los condensadores son dispositivos electrónicos capaces de acumular una gran carga eléctrica y liberar-la en un tiempo muy breve, lo que hace que sean usados en aplicacio-nes que requieren elevados picos de potencia. Nuevos desarrollos en este campo han conducido a la creación de supercondensadores, o conden-sadores de doble capa, que tienen una capacidad de carga muy elevada. La optimización de estos dispositivos pasa por cuatro aspectos: maximizar la superficie activa de los electrodos, disminuir su espesor, incrementar el voltaje al que son sometidos y, por último, aumentar la conductividad de sus materiales. Como referencia, la energía específica de los supercon-densadores actuales es de entre 0,5 y 15 Wh/kg, muy por debajo de los de las baterías. Los nuevos super-condensadores basados en grafeno alcanzan valores en un rango de entre 30 y 136 Wh/kg, similares a los de ba-terías de Ni-metal hidruro, mantenien-do además una capacidad y potencia específicas muy elevadas. Un paso más allá, en el que los ma-teriales basados en grafeno tendrán también una gran importancia, es el desarrollo de supercondensadores híbridos (HSC – Hybrid SuperCapaci-tors), que puedan trabajar como fuen-te de potencia (como un supercon-densador) y como fuente de energía (como una batería). Estos dispositivos aún no han logrado los valores de se-guridad, ciclabilidad y carga para su uso en sistemas demandantes de grandes potencias, como muchas aplicaciones militares. La próxima generación de HSC estará basada en electrodos nanoestructurados, con un núcleo de grafeno y una cubierta Boletín de Observación Tecnológica en Defensa n.º 47. Segundo trimestre 2015 11


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