Baterías de grafeno en vehículos eléctricos
Artículo escrito por: Samudrapom Dam
Quien es un escritor científico y comercial independiente con sede en Kolkata, India. Lleva más de un año y medio escribiendo artículos relacionados con temas empresariales y científicos.
Este artículo analiza el potencial de las baterías de grafeno como sistemas de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos (VE). El grafeno tiene varias ventajas sobre otros materiales comerciales estándar para baterías, como ser fuerte, liviano y más abundante.
Los sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías, desempeñan un papel fundamental en los vehículos eléctricos (EV), los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y los vehículos eléctricos híbridos (HEV). Los principales tipos de baterías que se utilizan actualmente en EV, PHEV y HEV como sistemas de almacenamiento de energía incluyen baterías de iones de litio, baterías de hidruro de níquel-metal, baterías de plomo-ácido y ultracondensadores.
Entre estos, las baterías de iones de litio se utilizan más ampliamente en los vehículos eléctricos debido a su alta eficiencia energética, alta relación potencia-peso, buen rendimiento a altas temperaturas y mejor relación energía por peso en comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía, que es un factor extremadamente significativo para las baterías EV. Una batería de coche más ligera implica un mayor kilometraje con una sola carga.
Sin embargo, la alta temperatura que se desarrolla durante el funcionamiento de la batería, el alto costo de producción y los problemas relacionados con el reciclaje de baterías agotadas son las principales desventajas de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, el enfoque se ha desplazado hacia las baterías de grafeno como sistemas de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos en los últimos años.
¿Qué es el grafeno?
El grafeno se conoce como una estructura bidimensional (2D) de grafito, donde una capa plana de átomos de carbono se organiza en una red de panal de apoyo. Aunque el grafeno se puede preparar de varias maneras, la deposición química de vapor mejorada con plasma (PE-CVD) es la técnica más adecuada para producir grafeno.
Los principales beneficios de la técnica PE-CVD incluyen temperaturas de sustrato operativas más bajas y un crecimiento sin transferencia ni catalizador. En PE-CVD, una mezcla especial de gases, incluido el carbono, se calienta en un plasma que crea una capa de grafeno en una placa de cobre o níquel. Posteriormente, se extrae el grafeno de la placa.
Tecnologías y tipos de baterías de grafeno
Se pueden desarrollar varias tecnologías y tipos de baterías basadas en grafeno. Los más prometedores entre ellos incluyen baterías de estado sólido de metal de litio, baterías de estado sólido, supercondensadores, baterías de plomo-ácido mejoradas con grafeno, baterías de iones de sodio con grafeno, baterías de iones de aluminio con grafeno y baterías de iones de litio con grafeno.
Ventajas de las baterías de grafeno
Los materiales a base de grafeno tienen una alta porosidad y una mayor superficie y son extremadamente resistentes y ligeros. Además, estos materiales poseen alta capacidad de carga y flexibilidad y son buenos conductores de energía térmica y eléctrica, lo que los convierte en un material adecuado para el almacenamiento de energía.
La alta conductividad eléctrica del grafeno aumenta la densidad del electrodo y acelera la reacción química dentro de la batería, lo que permite una mayor transferencia de energía y velocidades de carga más rápidas con menos calor. El grafeno también sufre menos degradación en comparación con el litio y ofrece un rendimiento mejorado, lo que prolonga sustancialmente la vida útil de las baterías de vehículos eléctricos. Además, las baterías de grafeno también son rentables y más sostenibles que muchas otras baterías EV.
Implementación de baterías de grafeno en vehículos eléctricos
Entre las diferentes tecnologías y tipos de baterías basadas en grafeno, se espera que las baterías de iones de litio y grafeno se implementen en los próximos 1 a 3 años, las baterías de estado sólido en los próximos 4 a 8 años y los supercondensadores de grafeno en 10 años. Las baterías de grafeno de iones de sodio y de grafeno de iones de aluminio pueden reemplazar potencialmente a las baterías de iones de litio, ya que son mucho más baratas y fáciles de reciclar, y el sodio y el aluminio son más abundantes en la naturaleza en comparación con el litio.
Las baterías de grafeno y iones de aluminio pueden convertirse en la principal batería para vehículos eléctricos en el futuro, ya que las celdas de grafeno y aluminio pueden cargarse 60 veces más rápido en comparación con las celdas de iones de litio y pueden almacenar mucha más energía que las celdas de aluminio puro. Por ejemplo, las celdas de iones de aluminio y grafeno pueden recargar una batería AA en un minuto y una batería de tipo botón en 10 segundos.
Limitaciones de las baterías de grafeno
Existen ciertas limitaciones asociadas con las baterías basadas en grafeno a pesar de sus beneficios como sistemas de almacenamiento de energía en vehículos eléctricos. La limitación más destacada es la falta de técnicas de producción en masa para fabricar baterías de grafeno de alta calidad. Actualmente, el costo de producción de 1 kg de grafeno oscila entre decenas y miles de dólares, que es sustancialmente más alto en comparación con el costo de producción de carbón activado a $15 por kilogramo.
Además, el grosor de los materiales a base de grafeno a menudo se limita a micrómetros, lo que limita sustancialmente la capacidad general de la batería. Además, las baterías de grafeno suelen demostrar una retención de capacidad deficiente, una pérdida de primer ciclo extremadamente alta del 50 % al 60 % y eficiencias de ciclo bajas del 95 % al 98 % a alta corriente.
Además, el grafeno no se puede apagar porque carece de banda prohibida, lo que implica que no hay ningún lugar en el material donde no existan electrones. Por lo tanto, se debe diseñar una banda prohibida artificial en grafeno para superar el desafío.
Potencial de las baterías de grafeno en los vehículos eléctricos
Aunque actualmente es posible el uso de baterías de grafeno en vehículos eléctricos, aún no están disponibles comercialmente, ya que se requiere más investigación para desarrollar técnicas de producción en masa y determinar aún más las capacidades prácticas del material. Varias empresas han mostrado interés en las baterías de grafeno para alimentar vehículos eléctricos.
Por ejemplo, Nanotech Energy recibió recientemente fondos de Fubon Financial Holding para desarrollar baterías mejoradas con grafeno para vehículos eléctricos, mientras que Graphenano, con sede en España, colaboró con un jugador con sede en China para desarrollar una batería basada en polímero de grafeno que puede proporcionar a los vehículos eléctricos una autonomía máxima. de 500 kilómetros y un tiempo de recarga inferior a 5 min. En el futuro, el grafeno puede convertirse en un material crucial para el desarrollo de almacenamiento de energía a gran escala, y las baterías de grafeno siguen siendo la tecnología de baterías para vehículos eléctricos más prometedora.
No hay comentarios:
Publicar un comentario