Energía
Mejorando las baterías de iones de litio: la nueva tecnología de grafeno presume una conductividad térmica 10 veces mayor que las soluciones actuales
Grafeno y baterías
Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose descubrimiento fue premiado con el Premio Nobel de Química en 2019.
Una de esas alternativas son las baterías que utilizan grafeno.
Esto se debe a que el grafeno es un “material maravilloso”, hecho de una sola capa de átomos de carbono. Esto le otorga propiedades eléctricas extraordinarias. Explicamos más sobre el grafeno, así como otros “materiales 2D” como la boro‑feneno y el oro‑feneno en “Materiales 2D, como el grafeno, abren nuevas fronteras en las ciencias de materiales”.
Las propiedades eléctricas no son las únicas características que hacen al grafeno excepcional. También es notable por su conductividad térmica, lo que le permite transferir calor extremadamente rápido.
Fuente: GMG
Esta propiedad térmica podría resultar transformadora para la tecnología de baterías y, paradójicamente, el grafeno podría ayudar a que las baterías de iones de litio sigan siendo la tecnología de baterías dominante frente a químicas alternativas, incluidas las baterías basadas en grafeno.
Esto podría ocurrir gracias a un descubrimiento de investigadores de la Universidad de Swansea (Reino Unido), en colaboración con la Universidad de Tecnología de Wuhan y la Universidad de Shenzhen (China). Revelaron sus resultados en un artículo científico publicado en Nature Chemical Engineering bajo el título “Colectores de corriente a gran escala para regular la transferencia de calor y mejorar la seguridad de las baterías”.
Limitaciones del grafeno
En teoría, el grafeno es un material maravilloso que debería revolucionar muchas industrias, desde la fabricación de baterías hasta cualquier cosa que use electricidad, incluidos ordenadores y paneles solares, e incluso el hormigón y nanorobots en nuestro torrente sanguíneo.
En la práctica, el grafeno sufre algunas limitaciones:
- Fabricación a escala: La cinta adhesiva aplicada a un trozo de grafito fue suficiente para descubrir el grafeno. Pero se requieren métodos mucho más complejos como la Deposición Química de Vapor (CVD) para la producción masiva.
- Costos: la mayoría de los métodos de producción y aplicaciones a dispositivos existentes son mayormente a pequeña escala o a medida, y los materiales 2D se han mantenido bastante caros. El precio real puede variar mucho según la pureza, con, por ejemplo, grafeno que oscila entre $20-2,000/kg.
Por supuesto, los dos problemas están vinculados, ya que la pequeña escala de producción incrementa los costos. Hasta ahora, ha obstaculizado gravemente la adopción masiva del grafeno, dejando sin cumplir la mayoría de las promesas de este material, a pesar de su descubrimiento hace 20 años, en 2004.
La capacidad de producir material basado en grafeno en grandes volúmenes es clave tanto para reducir costos como para permitir aplicaciones a escala industrial.
Esto es un problema puramente de fabricación y tecnología, ya que el grafeno está hecho de carbono, un material abundante y barato. Por lo tanto, no sufre del problema de materiales raros, como por ejemplo los catalizadores que producen hidrógeno usando metales raros como platino o paladio.
Como tal, el grafeno tiene el potencial de revolucionar verdaderamente nuestros sistemas energéticos, sin encontrar límites por el agotamiento de recursos cuando se despliega a gran escala.
Fabricando kilómetros de grafeno
Este problema de producción a gran escala es lo que los investigadores del mencionado artículo afirman haber resuelto parcialmente.
La publicación de los investigadores “detalla el primer protocolo exitoso para fabricar láminas de grafeno sin defectos a escala comercial”.
El método explicado en el artículo científico puede usarse para crear láminas de grafeno con longitudes que van desde metros hasta kilómetros.
Incluso en un entorno de laboratorio no diseñado para producción masiva, lograron crear una lámina de grafeno de 200 metros de largo con un grosor de 17 micrómetros.
Esta lámina también es notablemente resistente y se demostró que mantiene una alta conductividad eléctrica incluso después de ser doblada más de 100,000 veces.
Por lo tanto, se puede asumir con seguridad que será posible desplegarla en electrónica flexible, fabricación industrial y otras aplicaciones donde el grafeno se use para conducir corrientes potentes.
¿Qué pueden hacer las láminas de grafeno?
Las baterías de iones de litio son vulnerables a un riesgo clave, llamado fuga térmica. Esto ocurre cuando el calor excesivo se acumula en una parte de la batería, a menudo provocando fallas con incendios o explosiones peligrosas.
Este problema es una de las razones clave por las que muchos investigadores y compañías de baterías buscan alternativas al litio con químicas alternativas como el sodio‑ión. Se están explorando muchas soluciones alternativas, por ejemplo, electrolitos de gel.
La fuga térmica ocurre mayormente en los colectores de corriente de la batería, donde se concentra la mayor parte de la energía. En las baterías de iones de litio actuales, los colectores de corriente suelen estar hechos de aluminio o cobre.
Los colectores de corriente de grafeno desarrollados por la investigación con su lámina de grafeno pueden presentar una conductividad térmica tan alta como 1.400,8 W m−1 K−1. Como referencia, esto es casi 10 veces mayor que los colectores de corriente basados en cobre y aluminio.
Fuente: Nature Chemical Engineering
Implicación para baterías de iones de litio
Debido a que la lámina de grafeno muestra una disipación de calor muy rápida, elimina el riesgo de concentración local de calor cuando la corriente fluye.
A su vez, esto elimina los riesgos de reacciones aluminotérmicas y de evolución de hidrógeno, que son los pasos críticos que conducen a la propagación del fallo de la batería y al riesgo de incendio.
“Nuestra densa y alineada estructura de grafeno proporciona una barrera robusta contra la formación de gases inflamables y evita que el oxígeno penetre en las celdas de la batería, lo cual es crucial para evitar fallas catastróficas,”
Dr Jinlong Yang, co‑lead author
Quizá más importante, el método ya ha demostrado ser desplegable con la fabricación masiva de la lámina de grafeno. Por lo tanto, podría integrarse rápidamente en los procesos de fabricación de baterías existentes.
“Este es un paso significativo hacia adelante para la tecnología de baterías. Nuestro método permite la producción de colectores de corriente de grafeno a una escala y calidad que pueden integrarse fácilmente en la fabricación comercial de baterías. Esto no solo mejora la seguridad de las baterías al gestionar eficientemente el calor, sino que también aumenta la densidad energética y la longevidad.”
Dr Rui Tan, co‑lead author
Futuro de las aplicaciones de láminas de grafeno
Los investigadores ya están buscando formas de reducir el grosor de las láminas de grafeno y mejorar aún más sus propiedades mecánicas.
También están investigando cómo la lámina de grafeno podría ayudar a diseñar mejores baterías de flujo y baterías de sodio‑ión, en colaboración con otro equipo de investigación de la Universidad de Swansea, bajo la lideranza de la Prof. Serena Margodonna.
Anteriormente discutimos baterías de iones de litio en panal que eliminan el riesgo de fallas de la batería por crecimiento de dendritas. Si la fuga térmica también puede suprimirse gracias a la lámina de grafeno, esto podría hacer que las baterías de iones de litio sean mucho más seguras y duraderas que la versión actual.
Fuente: Chemistry Europe
Esto en general sigue el patrón de la mayoría de innovaciones en un nicho de la tecnología de baterías para ser utilizables en otros diseños, ayudando a impulsar el rápido progreso de la industria.
(También puedes aprender más sobre la tecnología de baterías en nuestros artículos “The Future of Mobility – Battery Tech” y “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)
Invertir en tecnología de baterías
Las baterías de iones de litio ya han cambiado el mundo varias veces, desde permitir a las personas llevar electrónica avanzada a todas partes hasta impulsar automóviles únicamente con electricidad.
Podrían volver a hacerlo, o bien otros tipos de baterías, al permitir una red eléctrica 100 % renovable o la electrificación de aviones cuando se alcance una densidad de energía suficientemente alta.
Puedes invertir en compañías relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, puedes encontrar nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.
Si no te interesa seleccionar compañías de baterías específicas, también puedes considerar ETFs de baterías como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), el Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, que ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar el creciente sector de baterías.
O puedes consultar nuestros artículos “Top 10 Battery Stocks To Invest In” y “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.
Compañías de baterías
1. Veeco
(VECO )
Veeco ha sido un proveedor importante de equipos para la industria de fabricación de semiconductores desde su fundación en 1945. Sus máquinas se utilizan en la producción de chips EUV avanzados, antenas 5G, discos duros, LIDAR, LEDs, electrónica de potencia para vehículos eléctricos, etc.
Fuente: Veeco
El principal enfoque tecnológico de la compañía es el mismo proceso CVD utilizado para la producción de boro‑feneno y parte del grafeno, o más precisamente, MOCVD (Deposición Química de Vapor Metal‑Orgánica).
Fuente: Veeco
Como líder en este segmento especializado de la industria de semiconductores, Veeco podría ser un buen candidato para apostar por el crecimiento de más aplicaciones CVD.
Ese crecimiento podría derivarse del uso creciente de grafeno, tungsteno y boro‑feneno, a medida que progresivamente mejoramos la manipulación de la materia a nivel atómico. Esto incluye películas delgadas de grafeno, pero también posibles semiconductores de grafeno, superconductores, etc.
También probablemente se beneficiará de las enormes tendencias de digitalización, IA y electrificación, ya sea que utilice masivamente materiales 2D o no.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG es un productor de grafeno que ha centrado su oferta de productos en productos basados en grafeno ya demostrados, como recubrimientos térmicos y lubricantes.
Esto convierte a GMG en una buena opción para inversores que buscan exposición directa al mercado del grafeno y una compañía ya activa en la producción masiva de grafeno y en la mejora del método de producción actual.
Fuente: GMG
Algunas aplicaciones adicionales podrían ser la creación de semiconductores de grafeno (ver “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o incluso superconductores a temperatura ambiente. El recubrimiento de grafeno también podría usarse en baterías y en tecnologías de recipientes a presión de hidrógeno.
Fuente: GMG
GMG produce su grafeno a partir de metano + hidrógeno, lo que difiere de la mayoría de sus competidores, que lo producen a partir de depósitos naturales de grafito. Esto permite una mayor pureza, mayor escalabilidad y producción de bajo costo.
La compañía lanzó su primera instalación de producción en Australia en 2023, con una capacidad de hasta 1 millón de litros de producción de recubrimientos para intercambiadores de calor al año.
El siguiente paso para la empresa será su tecnología de baterías basada en iones de aluminio de grafeno, con una densidad de 290 Wh/kg, una carga 60 veces más rápida que las baterías de iones de litio, 3 veces la vida útil de la batería y un mejor perfil de riesgo de incendio.
Fuente: GMG
Esta incursión en el mercado de baterías podría ser una gran apuesta para GMG, pero también le brinda una perspectiva única sobre el futuro mercado que podría abrirse para el grafeno, incluyendo en vehículos eléctricos y otras aplicaciones relacionadas con la energía.
