Baterías de grafeno y tecnología completamente explicadas

Los materiales para baterías desarrollados por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía y Vorbeck Materials Corp. de Jessup, Maryland, permiten que las herramientas eléctricas y otros dispositivos que usan baterías de iones de litio se recarguen.en solo minutos en lugar de horas. Además, la tecnología de baterías de grafeno promete una mayor capacidad mediante el uso de ánodos de silicio en lugar de carbono para las nuevas soluciones de baterías de iones de litio.

Además, varios fabricantes, como Positec (que fabrica Worx, Rockwell y Kress), ya utilizan alguna tecnología de batería de grafeno en herramientas eléctricas portátiles seleccionadas.

El grafeno existe como una sola capa de átomos de carbono. Estos átomos están dispuestos en un patrón hexagonal organizado. El grafeno vive como un material casi "bidimensional" con algunas propiedades físicas y químicas únicas que le otorgan varias ventajas, que incluyen alta conductividad eléctrica, excelente resistencia mecánica y alta conductividad térmica.

De hecho, ¡el grafeno es 100 veces más efectivo para conducir electricidad que el cobre! También pasa electrones hasta 140 veces más rápido que el silicio. Esto es lo que hace que el material de grafeno sea tan importante para descubrir cómo cargar las baterías más rápidamente.

Los fabricantes (y científicos) consideran que el grafeno es un material prometedor para una amplia gama de aplicaciones. Según la investigación y la forma en que vemos que se usa hoy en día, podría desempeñar un papel muy importante en la electrónica, el almacenamiento de energía y los compuestos. Dadas las propiedades únicas del grafeno, en realidad tiene el potencial de revolucionar el almacenamiento de energía y la densidad de potencia disponible en las mejores herramientas eléctricas.

La invención de las baterías de grafeno comenzó con el descubrimiento de cómo adquirir grafeno en forma de un solo átomo. Eso generalmente se atribuye a un equipo de investigadores de la Universidad de Manchester, Reino Unido. El equipo, dirigido por los ganadores del Premio Nobel Sir Andre Geim y el físico ruso-británico Konstantin Novoselov, descubrió algunos atributos interesantes del grafeno en 2004.

Durante uno de los "experimentos de los viernes por la noche" semanales de Andre y Kostya, los dos científicos usaron cinta adhesiva para quitar algunas escamas de un trozo de grafito a granel. Al darse cuenta de que algunos copos eran más delgados que otros, continuaron experimentando. Al separar repetidamente los fragmentos de grafito, ¡finalmente crearon copos que medían solo un átomo de espesor! Este experimento condujo al primer caso de aislamiento de grafeno.

Vorbeck Materials Corp. colaboró ​​con Ilhan Aksay, profesora de ingeniería química y biológica en la Universidad de Princeton. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) demostró que pequeñas cantidades de grafeno, una lámina ultradelgada de átomos de carbono, pueden mejorar drásticamente la potencia y la estabilidad del ciclo de las baterías de iones de litio. Además, puede hacer esto mientras mantiene una alta capacidad de almacenamiento de energía.

En 2016, Dongxu Optoelectronic Technology, con sede en Beijing, presentó su batería G-King de 4800 mAh. Esta batería estilo portátil se recarga en menos de 15 minutos y admite hasta 3500 ciclos.

En 2017, el Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung (SAIT) anunció su "bola de grafeno". Este material de batería único mostró un aumento del 45 % en la capacidad de almacenamiento junto con velocidades de carga hasta 5 veces superiores a las de una batería de iones de litio estándar.

La nueva tecnología promete enormes ventajas tanto para los dispositivos móviles como para los vehículos eléctricos. El mercado de vehículos eléctricos tiene mucho sentido una vez que te das cuenta de que la bola de grafeno puede mantener una temperatura estable de 60 grados centígrados.

Samsung fue pionero en métodos para sintetizar grafeno en forma 3D y luego aplicarlo a las baterías. Lo hizo utilizando sílice asequible (SiO2). Aplicaron esta "bola de grafeno" tanto en la capa protectora del ánodo como en los materiales del cátodo en las baterías de iones de litio.

Las baterías estándar de iones de litio continúan creciendo en densidad de potencia, pero no han dado saltos monumentales en la reducción del tiempo de carga. Las baterías de grafeno vienen con dos ventajas principales sobre las de iones de litio estándar:

La forma en que funciona es simple, al menos en teoría. El uso de baterías basadas en grafeno es una dirección completamente nueva. Hace que las celdas de la batería se carguen más rápidamente. Las baterías de iones de litio funcionan transfiriendo iones de litio entre un cátodo y un ánodo utilizando un electrolito líquido. Eso lleva una cierta cantidad de tiempo, especialmente durante la fase de recarga.

Sin embargo, mejorar los cátodos recubriéndolos con grafeno permite que se transfieran más iones. Esto también aumenta la velocidad de transferencia.

Además de esto, los investigadores planean utilizar la nanotecnología de otra manera. Las propiedades nanotecnológicas del grafeno ayudan a producir ánodos de silicio reutilizables. Estos mejoran las capacidades generales de almacenamiento de una batería. La ecuación de la batería de grafeno se ve así:

Más almacenamiento + recarga más rápida + temperaturas de funcionamiento más frías y estables

Dado que recubrir ánodos y cátodos con láminas o bolas de grafeno de tamaño nanométrico da como resultado una carga más rápida, una mayor densidad de potencia y una mejor gestión del calor, las ventajas para las herramientas eléctricas son numerosas. La batería de su taladro inalámbrico o sierra circular de alta capacidad podría recargarse en solo unos minutos en lugar de una hora. También podría funcionar cinco veces más tiempo.

Además, con tiempos de carga rápidos vienen tiempos de descarga rápidos. Eso significa que puede obtener más energía de una batería de grafeno más rápidamente. Eso tiene el potencial de llevar herramientas y equipos con cable aún más potentes a una plataforma de batería más rápidamente. La entrega de energía ya no presenta tanto problema.

Además, podría ver tal mejora en los tiempos de carga que la noción de "tiempo de ejecución de todo el día" se expande a herramientas cada vez más grandes. La línea de equipos Milwaukee MX FUEL ofrece un gran ejemplo de este potencial. Con una carga de baterías lo suficientemente rápida, incluso las herramientas más grandes pueden hacer funcionar un paquete mientras otro se llena. Siempre que el tiempo de carga esté por debajo del tiempo de ejecución real esperado, como resultado, logrará un uso durante todo el día.

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Los investigadores confían mucho en las capacidades del grafeno como mejora conductiva. De hecho, afirman que las baterías de teléfonos celulares basadas en grafeno, que actualmente tardan entre una y cinco horas en recargarse por completo, ¡reducirían su tiempo a menos de 10 minutos!

Las baterías de grafeno ya han llegado al mercado. Las herramientas eléctricas de la marca CAT cuentan con tecnología de batería de grafeno que les permite recargar una batería de 5 Ah en menos de 20 minutos. También cuentan con una vida útil 4 veces más larga que la de iones de litio, así como con temperaturas de funcionamiento más frías. Seguro que otros les seguirán, y es posible que algunos ya hayan lanzado baterías con tecnología de grafeno que aún no lo hayan comercializado como tal.

Algo muy interesante que vemos entrar en el mercado en varios lugares se conoce con el nombre de supercondensadores alimentados con grafeno. Una empresa, Skeleton, ya tiene varios productos diferentes en el mercado, incluida su serie SkelCap. Estos supercondensadores de grafeno curvos presentan una alta densidad de energía y una baja resistencia interna.

Como puede imaginar, una mejor densidad de energía significa que estas baterías se adaptan perfectamente a los mercados industriales, de transporte pesado y vehículos eléctricos. En esos sectores, tanto el peso como el espacio juegan un papel clave en la eficiencia de los vehículos.

Los supercondensadores de grafeno también generan menos calor, incluso bajo cargas de alta corriente. Estos supercondensadores de grafeno cuentan con un diseño curvo que expone una mayor parte de la superficie a la corriente eléctrica. Esto reduce la resistencia y mejora la eficiencia.

Por último, Skeleton afirma que sus supercondensadores alimentados con grafeno tienen una vida útil de aplicación de hasta 15 años o más. Cuando observamos los vehículos eléctricos y el equipo pesado, una vida útil de 15 años comienza a tener sentido. Esperamos ver esta tecnología en particular aparecer primero en vehículos comerciales y algunos vehículos eléctricos.

En 2016, Huawei, con sede en China, anunció un gran avance en su investigación sobre baterías de iones de litio. En el 57º Simposio de Baterías en Japón, presentaron la primera batería de iones de litio asistida por grafeno de larga vida útil del mundo capaz de soportar altas temperaturas. Alegaron, en su momento, una reducción de 5 grados C en comparación con las baterías existentes que ya están en el mercado.

Aplicado en el campo, las ganancias ambientales del mundo real mejoraron hasta 10 grados C. Las aplicaciones incluyen áreas donde hay climas cálidos y cortes de energía frecuentes (como África). Las aplicaciones EV también siguen siendo una posibilidad.

A partir de 2023, esta tecnología ha aparecido en la Tecnología de enfriamiento de película de grafeno de la compañía, que se utiliza para alejar el calor de la batería de los teléfonos celulares. De esta manera, Huawei continúa apoyándose principalmente en las propiedades de conductividad térmica rápida del grafeno en lugar de usarlo dentro de sus baterías reales.

Debido al actual bloqueo de chips a la empresa, Huawei también planea comenzar a usar grafeno en sus semiconductores y transistores para crear nuevas tecnologías de chips que compitan con la tecnología tradicional de silicio. El uso de grafeno (a través de chips de nanotubos de carbono) también podría acelerar la comunicación y reducir los costos.

Strategic Elements está trabajando en una nueva tecnología de batería que utiliza tinta líquida a base de óxido de grafeno. El proceso implica recubrir la tinta de óxido de grafeno sobre el vidrio. Supuestamente, podría recolectar energía de la humedad presente en el aire o la piel para autocargarse, en solo unos minutos. Strategic Elements está trabajando con la Universidad de Nueva Gales del Sur para probar y desarrollar la tecnología. Apuntarían la nueva tecnología de batería de óxido de grafeno al mercado diverso de dispositivos IOT.

Una batería de óxido de grafeno con el potencial de cargarse con la humedad del aire o de la piel suena como un gran avance para los relojes, los lectores electrónicos de bajo consumo y más. ¡Imagínese no tener necesidad de carga manual o cables! Aprende más aquí.

GMG, en colaboración con la Universidad de Queensland Research y UniQuest, tiene en desarrollo una tecnología de batería de iones de aluminio y grafeno. La nueva formulación presenta altas densidades de energía y potencia en comparación con la tecnología actual de baterías de iones de litio. Reclama una duración de la batería hasta 3 veces más larga y velocidades de carga hasta 70 veces más rápidas.

A partir de junio de 2022, GMG ya ha fabricado baterías de iones de aluminio y grafeno en formato de celda de bolsa. GMG tiene planes para construir una instalación comercial inicial de fabricación de baterías de iones de aluminio y grafeno (G+AI) de celda de moneda, seguida de la producción en masa de baterías de celdas de bolsa paralelas.

Para no quedarse atrás, la NASA tiene planes para desarrollar su batería de grafeno de estado sólido SABRES. SABERS significa Baterías de Arquitectura de Estado Sólido para Recargabilidad y Seguridad Mejoradas. En desarrollo durante años en su Centro de Investigación Glenn en Cleveland, Ohio, y el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia, la batería SABRES de la NASA tiene como objetivo permitir aplicaciones que antes se creían imposibles, como el vuelo alimentado por batería.

Hacer que una batería de grafeno (o cualquier batería) sea adecuada para el vuelo requiere varias cosas. Debe tener una densidad de potencia adecuada: más potencia en menos espacio. La batería también tiene que pesar lo menos posible. Debe poder descargarse rápidamente y tiene que adaptarse a cualquier aplicación.

También debe ser extremadamente seguro, ya que tiene que impulsar un vehículo con el potencial para transportar a cientos de pasajeros. Eso significa eliminar cualquier producto químico potencialmente tóxico o inflamable. Hasta el momento, según los informes, SABERS parece estar en camino de presentar una solución convincente... eventualmente.

La batería de grafeno de estado sólido de SABRES ofrece actualmente 500 vatios-hora por kilogramo. Eso viene en aproximadamente el doble de la densidad de energía incluso de la mejor tecnología de batería utilizada en los vehículos eléctricos actuales. El objetivo regional para el vuelo cae alrededor de 480 vatios-hora. Aprende más aquí.

En cuanto al futuro de la nanotecnología basada en grafeno, sigue siendo un proceso complicado y costoso. Con más investigación y economía de escala, debería hacer que las herramientas eléctricas inalámbricas funcionen por más tiempo. También debería permitir a los fabricantes empaquetar mucha más potencia en un paquete más pequeño. Entre eso, temperaturas de funcionamiento más frías y una carga más rápida: la tecnología de baterías de grafeno podría revolucionar las herramientas inalámbricas, los vehículos eléctricos y los equipos pesados ​​en los próximos 5 a 10 años.

En lugar de elegir una dirección que probablemente tome la tecnología de baterías de grafeno, imaginamos que afectará a todas las áreas. Eso incluye estado sólido, uso en tecnología de enfriamiento, soluciones curvas para acelerar la carga e integración completa en ánodos y cátodos. Con respecto a algunos de los anuncios más avanzados que hemos visto, imagina las posibilidades. ¡Coloque una batería basada en grafeno con el doble de densidad de potencia en un EV y podría obtener hasta 1000 millas por carga! También obtendría la capacidad de recargar en el mismo (o menos) tiempo que los vehículos actuales con rangos de ~350 millas.

¡Ciertamente tiene nuestra imaginación volando!