NeoFronteras

Grafeno para almacenar electricidad

Área: Tecnología — Martes, 19 de Julio de 2011

Diversas investigaciones sobre sistemas de almacenamiento de electricidad en proyecto usan el grafeno.

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Fuente: Gengping Jiang.

En el mundo actual hemos llegado a la paradoja de que un cartón de zumo de naranja 100% vale bastante menos que un litro de gasolina o gasóleo. No importa que para el primero se necesiten árboles, fertilizantes, cuidados y mucha mano de obra y que para el segundo sólo haga falta hacer un agujero en el suelo y luego separar el producto obtenido en distintos tipos de sustancias.
Es verdad que en el segundo caso hay muchos más impuestos que en el primero, pero no deja de ser una paradoja de la que no nos damos cuenta. El petróleo, además de empezar a escasear, es un producto sobre el que se especula bastante.
Lo ideal sería prescindir del petróleo y usar automóviles eléctricos. El precio por kilómetro recorrido sería muy inferior a usar gasolina, pues el motor eléctrico es muy eficiente. Además de ahorrar dinero estaríamos reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero si parte de esa electricidad procede de fuentes alternativas de energía.
Pero al salir a la calle o a las carreteras no vemos esos vehículos eléctricos. Los pocos que hay son muy caros y tienen una autonomía muy reducida. La culpa la tienen la grandes, caras y pesadas baterías que se usan (da igual el tipo).
Mientras que los gobiernos maquinan en la sombra cómo perpetrar la imposición de nuevos impuestos sobre la electricidad dedicada a la automoción y a otros fines (o sobre células solares o molinillos por si te da por instalarlos en tu casa) o planifican nuevas tarifas para que las compañías eléctricas sigan lucrándose, la industria y los laboratorios siguen investigando sobre nuevos sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. Aunque de momento su comercialización ha sido lenta o inexistente.

A veces esas nuevas maneras de almacenamiento provienen de sistemas curiosos. Un grupo de investigadores de la Universidad de Monash ha conseguido que con dos materiales tan corrientes como el grafito y el agua un almacenamiento de energía igual que el conseguido con baterías de litio convencionales. Pero la gran ventaja en este caso es que la carga se efectúa en cuestión de segundos y que el sistema tiene una vida prácticamente ilimitada.
El sistema consiste en un condensador hecho de grafeno. Recordemos que el grafeno no es más que las capas que componen el grafito (el material negro de los lápices), una red hexagonal de átomos de carbono. Es un material que está de moda y que parece prometer un montón de aplicaciones. La ventaja que tiene como material para supercondensadores es que es un buen conductor y presenta una gran relación superficie/peso, que es lo mismo que decir energía/peso si lo usamos de ese modo.
Lo malo es que esa gran superficie desaparece en el momento que juntamos muchas de estas capas de grafeno, pues unas se pegan a las otras espontáneamente. Al fin y al cabo, tratan de formar grafito otra vez, que es una forma más estable de carbono que el grafeno.
Estos investigadores han descubierto que el agua puede evitar que esas capas se peguen unas a otra y que entren en contacto. Esto permite apilar muchas de ellas sin problemas. El producto obtenido es una especie de gel de grafeno que puede ser usado en diversas aplicaciones, como dispositivos biomédicos, sensores y en membranas de purificación, pero que además se puede emplear para almacenar electricidad. Con este gel se pueden fabricar un supercondensador que igualaría las prestaciones en almacenamiento de energía, a igualdad de peso, de las baterías de litio. Pero, además, el grafito y el agua son sustancias muy baratas y fáciles de conseguir. ¿Demasiado bonito para ser cierto?

Pero si todavía creemos que las baterías de litio son una mejor opción quizás nos interese el resultado logrado en la Universidad de Stanford. Allí han conseguido nuevas baterías de litio en las que el azufre y el grafeno hacen que tengan mejores prestaciones que las tradicionales. En ellas el cátodo está formado grafeno y azufre, mientras que el ánodo está fabricado en silicio.
Al parecer, el punto débil de las baterías de litio es el material del cátodo. Mientras que la capacidad del ánodo está en 370 mAh/g para el grafito o 4200 mAh/g para el silicio, para el cátodo sólo se llega a los 150 mAh/g para ciertos óxidos o los 170 mAh/g para el LiFe-PO4. Esto provoca un ciclo de vida corto, una baja capacidad y una eficiencia energética reducida.
Desde hace tiempo se sabía que el azufre podría tener mejores prestaciones como cátodo, pero su baja conductividad era un escollo. Para mejorar esta conductividad se intentó otros elementos mezclados con él. Aunque previamente se descubrió que ciertas mezclas de carbono y azufre aumentaba la capacidad de los cátodos hasta los 1000 mAh/g, el número posibles ciclos de carga era muy bajo. El uso del grafeno parece solucionar este problema.
El proceso de fabricación permite la creación de partículas de azufre submicrónicas envueltas en grafeno. En un primer paso se recubre las partículas de azufre con polietileno glicol, que impide su disolución y aumenta el número de ciclos de carga. Luego se recubre con grafeno dichas partículas para así mejorar su conductividad. El sistema permite atrapar los polisulfitos generados y acomodar la expansión del azufre en los procesos de carga.

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Este sistema permite una capacidad en el cátodo de 500- 600 mAh/g y más de 100 ciclos de carga. Además, después de esos 100 ciclos de carga la capacidad sólo baja un 10-15%.
Este nuevo cátodo permitiría, por tanto, baterías con una densidad de almacenamiento de energía mejor que cualquier otra de hoy en día. Aunque previamente necesitarán mejorar las prestaciones en cuanto al número de ciclos de carga.
Si todo sale bien quizás podamos tener cámaras o portátiles alimentados por baterías Li-S en el futuro.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Noticia en Technology Review.
Artículo original.

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6 Comentarios

  1. Gerardo:

    Disculpa pero difiero de esa “paradoja” que nombras al principio, producir petroleo es mucho mas complejo que producir jugo de naranja y más riesgoso no solamente en el aspecto del riesgo para la vida humana, sino el riesgo industrial de invertir y no poder recuperar la inversion, se nota que no has entrado nunca en una refineria. Montar una refineria es muchisimo más complejo y costoso que montar una fabrica de jugo de naranja.

    Ahora, si puedo decir que una vez que se pone a andar una refineria, esta es pura ganancia, y de la buena

  2. Gerardo:

    El problema con los autos electricos no es solamente el de las baterias, sino el de donde va a salir esa energia electrica extra que se va a consumir, y como se va a distribuir.

    Imaginen que magicamente todos los carros de gasolina y disel se transformen en autos electricos, imaginen ahora el aumento del consumo de corriente y la presion sobre las lineas. Además el aumento del consumo no deberia provenir de termoelectricas sino no estariamos haciendo nada. Claro, la transicion realmente va a ser lenta, pero igual debe ir en paralelo con la mejora en el servicio electrico en general

    Pasa lo mismo que con las plantas nucleares, no podemos eliminarlas simplemente por que no hay de donde sacar la energia extra (aunque los eolicos digan lo contrario)

  3. NeoFronteras:

    Estimado Gerardo:
    La introducción no es más que una comparación para señalar el elevado precio del petróleo, nada más. Las refinerías son complejas, pero un naranjo lo es aún más, y también hay que considerar los tractores, aperos, mano de obra, fertilizantes, transporte, industrias de procesado… La diferencia de complejidad es discutible, pero la realidad es que el petroleo está muy caro.
    En cuanto a la electricidad es verdad que hay que sacarla de algún sitio, pero el motor eléctrico es mucho más eficiente que el de explosión interna. Incluso quemando petróleo en térmicas saldría más rentable usar autos eléctricos. Aunque también se podrían usar sistemas de energía renovable (solar, eólica, etc), que de momento son poco rentables.
    Lo malo es que las infraestructuras no se crean de la noche a la mañana y, sobre todo, la construcción de un automóvil (eléctrico o no) consume mucha energía.
    Tampoco puede desaparecer el parque automovilístico rápidamente. Se tardan décadas en hacerlo, es decir, más tiempo que en la manifestación grave del problema que se nos avecina.

  4. Jose_2:

    Gerardo…

    ¿Y las naranjas ? Que.. ¿Se fabrican solas…?

    O crees que con plantar un hueso de naranja ya esta…

    Y no tengamos en cuenta las inclemencias climatologicas… Cosa que con el petroleo es mas raro…

    Y bueno, lo de cambiar a coches electricos, lo veo mas un problema economico y no energetico…

    El DOLAR, depende del precio del petroleo… Son, primos hermanos…

    Asi que si de uno baja su produccion, por no se necesaria, del otro, tambien baja el valor…

    Creo que ampliando la “eficiencia energetica”, se podrian cargar muchos coches, ya sea por la accion del sol, del movimiento, del viento, etc…

    Saludos….

  5. prueba vlf:

    creo que en sí la prueba vlf tiene que ver con una buena integración de uso y rendimiento. Logramos más

  6. tomás:

    ¿Qué significa ese comentario 5? ¿Acaso es que al ser enviado ha quedado solo el final? No lo entiendo.

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