Desarrollan una batería de grafeno plegable, de carga rápida y más duradera
Fabrican un dispositivo para almacenar energía que puede doblarse hasta 180º y que tras 5.000 ciclos de carga retiene el 97,8% de su capacidad. Tardará unos años en comercializarse.
El peototipo del dispositivo de almacenamiento de energía / UCL
Hace 15 años dos investigadores de la Universidad de Manchester, Andre Geim y Konstantin Novoselov, utilizaron tiras de celofán para separar capas de carbono de sólo un átomo de espesor a partir de pedazos de grafito. Ese carbono ultrafino, el grafeno, resultó ser flexible, buen conductor del calor y la electricidad, más ligero que el papel y 200 veces más fuerte que el acero.
El hallazgo les valió el premio Nobel en 2010 y reveló al mundo la existencia de un nuevo material para el que los científicos imaginaron cientos de aplicaciones potenciales. Pero tras una primera etapa de estudio y catalogación, la investigación alrededor del grafeno comenzó a estancarse. Desde entonces, los usos prácticos están tardando en llegar, en gran parte porque uno de sus principales atractivos, su dureza, lo convierte también en un material difícil de trabajar.
Sin embargo, a lo largo de este último año el grafeno ha vuelto cobrar protagonismo. En 2018 el equipo del español Pablo Jarillo-Herrero en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) descubrió que combinar dos hojas de este material, inclinadas en un ángulo pequeño, propiciaba una nueva gama de comportamientos desconocidos, gracias a cambios en sus propiedades eléctricas.
TWISTRÓNICA
Se inició así una línea de investigación completamente nueva, bautizada por sus creadores como twistrónica, ya que se basa en darle un giro o retorcer la estructura de los átomos. Ahora, científicos del University College de Londres (UCL) han conseguido materializar esos hallazgos creando un nuevo un dispositivo plegable capaz de almacenar energía; un supercondensador que puede doblarse hasta 180º sin perder rendimiento y que tras 5.000 ciclos de carga retiene el 97,8% de su capacidad.
El supercondensador tiene un tamaño de 6 cm y está formado por dos electrodos idénticos, situados en lados contrarios de un gel que actúa como medio químico para transferir la carga eléctrica. En este caso los autores lo han utilizado para iluminar con éxito docenas de luces LED. El trabajo, descrito este lunes en la revista Nature Energy resuelve un problema recurrente en la fabricación de baterías: la dificultad de almacenar gran cantidad de energía en espacios pequeños. “Hemos partido de materiales que dan a nuestro supercondensador una alta densidad de potencia (lo que determina lo rápido que puede cargar o descargar) pero también una alta densidad de energía (que determina el tiempo de funcionamiento)”, explica el primer autor del estudio, Zhuangnan Li. “Normalmente, sólo se logra una de esas características, conseguir las dos supone un avance crucial”.
COLABORACIÓN ENTRE DISCIPLINAS
Un equipo de químicos, ingenieros y físicos ha colaborado para concebir ese nuevo diseño. Fabricaron los electrodos combinando varias capas de grafeno para crear una estructura densa, pero a la vez porosa, capaz de atrapar iones de diferentes tamaños. “Imagina que sólo necesitases diez minutos para cargar completamente tu coche eléctrico o dos para tu teléfono y que durase todo el día“, dice el profesor Ivan Parkin, responsable de la investigación.
“Hemos demostrado que este sistema carga muy rápidamente, que podemos controlar la salida [de energía] y que tiene una excelente resistencia y flexibilidad, lo que lo hace ideal para la electrónica miniaturizada y los vehículos eléctricos“. Gracias a la twistrónica los científicos aspiran a lograr la capacidad de inducir diferentes tipos de comportamiento para el grafeno, manipulando su estructura y propiedades, pero para eso aún tienen que comprender la física detrás de su actividad superconductora.
Aunque todavía se trata de un prototipo, este trabajo muestra el enorme potencial como fuente de energía portátil para smartphones o tejidos inteligentes. Además, no utiliza electrolitos líquidos, lo cual minimiza cualquier riesgo de explosión.
No obstante, sus creadores reconocen que antes de ser una alternativa competitiva en el mercado todavía quedan importantes obstáculos por salvar. “El grafeno modificado que utilizamos no está disponible aún a escala comercial”, señala Parkin, “así que para los dispositivos electrónicos flexibles, podría tardar aún algunos años en comercializarse, aún más para los coches”. Sin embargo, los autores también recuerdan que la investigación alrededor del grafeno vuelve a ser una de las más intensas, así que es probable que los próximos años deparen nuevos avances. “De momento hemos alcanzado una nueva comprensión acerca de cómo encajar el tamaño de los iones que se usan para transportar la carga con las capas del supercondensador, algo que nos va a permitir un mejor almacenamiento de energía”, añade Parkin.
Precisamente este diseño único es el que permite maximizar la densidad de energía hasta un récord de 88,1 vatios-hora por litro (Wh/L), la cifra más alta registrada por un supercondensador basado en carbono. Comparado con las tradicionales baterías de plomo y ácido de carga lenta y larga duración, utilizadas en los vehículos eléctricos, tienen un valor similar, 50-90 Wh/L. Pero en este caso la diferencia es que el supercondensador desarrollado por el equipo del UCL tiene el doble de densidad de potencia, más de 10.000 vatios por litro.
