La industria automotriz está redireccionando su camino hacia la búsqueda de vehículos verdes y sostenibles con el medioambiente. Eso ha permitido el desarrollo de coches eléctricos, que producen menos dióxido de carbono y son más nobles, disminuyendo la contaminación. Este tipo de coches tienen múltiples beneficios y ya hay modelos bastantes populares en el mercado. Sin embargo, se pretende que tengan mayor autonomía y es allí donde aparecen las baterías de grafeno.
Estos dispositivos podrían convertirse en una alternativa a las baterías tradicionales de iones de litio. Sin embargo, en torno al tema existen muchas dudas. Por ejemplo, ¿son realmente viables?, ¿cuándo llegarán las baterías de grafeno?, ¿y, especialmente, cuáles son los beneficios que podría traer para los coches eléctricos? ¡Sigue leyendo este artículo de Futuro Eléctrico y entérate!
Tabla de contenidos
¿Qué es una batería de grafeno?
Para definir qué es una batería de grafeno, primeramente tenemos que conocer esta materia prima. En ese sentido, el grafeno se trata de una capa de carbono que tiene tan solo un átomo de grosor y forma hexagonal. Es considerado como material bidimensional, ya que es un superconductor de la electricidad y sus propiedades están en constante cambio.
El grafeno se considera como un material futurista, debido a que es un mejor conductor térmico y eléctrico que el cobre. Además, es más resistente que el acero estructural (hasta 200 veces más). También tiene un peso cinco veces menor que el aluminio.
Las baterías de grafeno utilizan este material, descubierto en 1930, pero cuyas propiedades fueron estudiadas por los físicos rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov en el año 2004. Se caracterizan porque tienen grandes propiedades electrónicas, por su alta calidad del cristal 2-D. Asimismo, son una fuente de almacenamiento de energía renovable y limpia que podría ser empleada en los vehículos eléctricos.
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Cómo funciona una batería de grafeno
El principio de fundamento de las baterías de grafeno es bastante similar a las convencionales. De este modo, se utilizan dos electrodos (cátodo y ánodo) y una solución electrolítica para facilitar la transferencia de iones. En otras palabras, las celdas electroquímicas convierten la energía química almacenada en energía eléctrica.
Para que una batería funcione correctamente, necesita contar con una carcasa de plástico o metal. Asimismo, en su interior, se da el transporte de portadores de carga iónica que son necesarios para cerrar el circuito durante el paso de la corriente. Posteriormente, se utiliza un colector para conducir la energía fuera de la batería. En el paso final, se produce electricidad a través de una serie de reacciones.
Ahora bien, en el funcionamiento de las baterías de grafeno hay una diferencia con respecto a las baterías de litio. Por su parte, este tipo de baterías para coches eléctricos utiliza un material híbrido compuesto como cátodo, mientras que en las tradicionales tanto el cátodo como el ánodo son materiales sólidos.
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¿Cuánto dura la batería de grafeno?
Las baterías de grafeno para los coches eléctricos tendrán una vida útil hasta cuatro veces mayor a las baterías de litio. Es decir, aumentan la autonomía de estos vehículos y disminuyen la cantidad de veces que se tiene que repostar en las gasolineras eléctricas o electrolineras.
De hecho, la duración de una batería de grafeno es un tema de conversación, debido a que es tan alta que podría agitar completamente este sector. Asimismo, se estima que estas baterías permitirán recorrer cerca de 800 kilómetros sin inconvenientes. Otra de sus particularidades es que podría recargarse en apenas 15 minutos, aunque evidentemente esto es un aproximado. Todo dependerá de los fabricantes.
Ventajas de las baterías de grafeno
- Las baterías de grafeno tienen la ventaja de que son flexibles y relativamente fáciles de utilizar en distintas aplicaciones.
- Sus usos son muy amplios y no se limitan a los coches eléctricos, sino que podrían ser utilizadas en Smartphone o relojes inteligentes.
- Son seguras, reduciendo los riesgos de accidentes tanto en su fabricación como en su uso constante.
- Ocupan un 30 % menos de espacio, en comparación con una batería tradicional.
- Posee mayor densidad energética. Al respecto, almacenan una mayor cantidad de energía.
- Su volumen del ánodo no cambia cada vez que se produce un ciclo de carga y descarga. Es decir, son bastante estables.
- Reduce la cantidad de desechos tóxicos que se generan en el ambiente.
- Podrían ser más baratas que otras baterías que actualmente se comercializan.
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¿Cuál es el problema del grafeno?
El problema de utilizar el grafeno es que tiene un lado oscuro. De esta forma, su principal problema es que la tecnología que se necesita para la producción de baterías de grafeno es costosa, aún está en desarrollo y crear esas capas de un átomo de grosor adecuado sigue siendo un gran reto.
Además, todavía no están en el mercado este tipo de baterías hechas completamente de grafeno, sino que son una combinación o una versión mejorada de las iones de litio. El inconveniente de cómo aplicarlo es tan grande (por ser inestable) que aunque los científicos trabajan en cerca de 60.000 artículos con grafeno, hasta la fecha, ninguno ha visto la luz.
Por otro lado, se ha hablado mucho acerca de los beneficios de las baterías de grafeno para el medioambiente, pero su uso podría ser un agente contaminante del agua potable. De hecho, Sharon Walker, ingeniera ambiental de la Universidad de California en Riverside, en una investigación publicada en Environmental Engineering Science, reveló que el grafeno en el agua superficial (de lagos y depósitos de agua potable) flotaba y se adhería a la materia orgánica generada por la descomposición de plantas y animales.
Esto podría traer como consecuencia lo que se conoce como óxido de grafeno. Acerca de esto, otros estudios han determinado que podría ser altamente tóxico, sus daños a nivel celular y pulmonar ya han sido relevados en pruebas de laboratorios con ratones. Luego de compartir con la sociedad y comunidad científica estos resultados, Walker espera que se profundice más acerca de la presunta contaminación del agua como consecuencia del uso del grafeno.
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¿Nuevo material de grafeno?
A pesar de los problemas, existe una esperanza de que estas baterías se puedan consolidar próximamente. Investigadores del ARC Center of Excellence for Electromaterials Science (ACES), con sede en la Universidad de Wollongong, descubrieron el Edge Functionalized Graphene (EFG), una nueva forma de grafeno que podría no presentar los inconvenientes vistos hasta la fecha.
Con este nuevo material, están seguros de que mejorarán la eficiencia y reducirán el costo de la tecnología de baterías utilizada en dispositivos de almacenamiento de energía y coches eléctricos. De hecho, están trabajando en colaboración con la compañía de materiales para baterías de próxima generación Sicona. Al respecto, uno de los investigadores principales, el profesor David Officer, dijo
Con EFG, hemos podido no solo crear un proceso que produce un grafeno único que se puede usar como polvo, masa, pasta o dispersión, sino un proceso que creemos que es comercialmente escalable. Nuestros socios comerciales Sicona lo han reconocido
¿Qué batería es mejor litio o grafeno?
Las baterías de litio hasta el momento siguen liderando el sector de los coches eléctricos porque son mucho más sencillas de fabricar y comercializar. Están ampliamente estudiadas y tienen una compatibilidad alta con cientos de dispositivos. Además, con los últimos avances se ha logrado mejorar su rendimiento y autonomía.
Sin embargo, el reto que tienen por delante las baterías de litio es que por el exorbitante incremento en la demanda, sus reservas se han ido reduciendo a una velocidad alarmante. En otras palabras, su producción podría ser totalmente insostenible en unas cuantas décadas, haciendo que sea necesario buscar nuevas alternativas.
Allí es donde entran las baterías de grafeno, que a pesar de ser mejores en cuanto a durabilidad, siguen sin poder ser factibles. No fue hasta el 2004, cuando se empezó a analizar sus propiedades, características e implicaciones y aun así los científicos sostienen que queda mucho por conocer acerca de este material.
En definitiva, tanto las baterías de litio como las de grafeno tienen sus propias particularidades, por lo que establecer que una es mejor por encima de la otra sería un completo error. Todavía faltan muchos años de investigación para conocer cuál será la más utilizada en el futuro de los coches eléctricos. Además, cada una de ellas puede servir como complemento de la otra.
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Viabilidad de las baterías de grafeno con iones de aluminio
La llegada de las baterías hechas completamente de grafeno aún no es inminente, pero lo que podría ver la luz próximamente son las baterías de iones de aluminio y grafeno. La Universidad de Queensland Research y UniQuest trabajan en conjunto en esta meta y esperan que esté disponible para los coches eléctricos en el 2024.
Aseguran que este tipo de baterías será superior a las batería de litio, ya que tendrán un triple de duración, su densidad de potencia será de 7.000 W/kg. También podrán alcanzar hasta 3.000 ciclos de carga y descarga durante su vida útil.
Por su parte, Dean Moss, director ejecutivo de UniQuest, dio a conocer lo siguiente:
La batería de iones de aluminio con electrodos de grafeno podría transformar el mercado de baterías recargables existente, dominado por las de iones de litio. Estas últimas exigen la extracción de materiales de tierras raras utilizando grandes cantidades de agua y se procesan con productos químicos que potencialmente pueden dañar el medio ambiente.
Palabras finales
Las baterías de grafeno están lejos de empezar a ser comercializadas, pero lo positivo del asunto es que hay muchas razones que nos llevan a pensar que el I+D en relación al grafeno seguirá creciendo en el corto y mediano plazo. Además, es de gran beneficio que empresas como Grafoid, Perpetuus Carbon Group, Graphene Battery y otros ya estén mostrando interés por revolucionar los coches eléctricos con este material del futuro.