¿Puede el grafeno llegar a ser comercialmente competitivo?

Las propiedades únicas del grafeno le convierten en un material prometedor en diversos campos, lo que ha llevado por ejemplo a la Unión europea al inicio de un programa de I+D muy ambicioso.1 Sin embargo las láminas de grafeno se agregan unas con otras con mucha facilidad debido a las fuertes interacciones ππ entre capas y a fuerzas tipo van der Waals, lo que impide sacar todo el provecho del material. Para llegar a la implementación comercial competitiva del grafeno se requiere el desarrollo de métodos para su integración compacta evitando la agregación, y en vista de algunos recientes progresos ese parece un objetivo plausible.

Autor: [Raúl Díaz – Instituto IMDEA Energía]

El grafeno es una monocapa de carbones sp2 ordenados hexagonalmente cuya preparación recibió recientemente el Premio Nobel de Física por sus propiedades únicas,2 como un efecto Hall cuántico inusual, un tipo de efecto túnel exótico, una alta conductividad eléctrica intrínseca, una excelente conductividad térmica, una alta área superficial específica, una gran transmitancia óptica y una alta dureza mecánica a la vez que gran flexibilidad, que lo hacen muy interesante tanto para estudios fundamentales como para futuras aplicaciones.

Entre las posibles aplicaciones del grafeno se encuentran los dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía como baterías o supercondensadores, cuyo desarrollo es necesario, entre otras razones, para una mayor implementación de las energías renovables, pero para ello necesitan combinar una mayor densidad de energía y una alta densidad de potencia. Las líneas de investigación más importantes buscan mejorar los materiales de electrodo y los electrolitos, y entre los materiales de electrodo el grafeno es uno de los más prometedores.

El grafeno ya se ha usado como material de electrodo en supercondensadores y baterías de ión litio, y ha mostrado una alta capacitancia específica, densidad de potencia y de energía, y larga ciclabilidad,3 lo que le sitúa como un material muy prometedor para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía de prestaciones mejoradas. Sin embargo, para que ello sea realmente posible a escala comercial, es necesario solucionar el problema de la agregación de las láminas de grafeno, que deteriora significativamente sus propiedades potenciales.
La investigación en este campo es muy activa, y recientemente se ha reportado un método que permite compactar láminas de grafeno evitando su agregación que ha demostrado su potencialidad en aplicaciones como dispositivos supercondensadores compactos.4

Esta estrategia parte de una suspensión coloidal de grafeno oxidado que se reduce con hidracina y amoníaco, se filtra preservando el líquido que hay en el interior del grafeno y se introduce en una solución mezcla de dos líquidos, uno volátil y el otro no volátil. Después de que esta mezcla de líquidos se intercambie por el líquido que las láminas de grafeno preparadas anteriormente conservan en su interior, se evapora de manera controlada el líquido volátil preservando el no volátil, de manera que las láminas adyacentes de grafeno se comprimen pero no se llegan a agregar, lo que permite aumentar la densidad de grafeno (esta densidad se controla mediante la relación de volumen entre el líquido volátil y el no volátil) y desarrollar dispositivos compactos de mejores prestaciones que además pueden ser flexibles (Fig. 1).

Fig. 1. Caracterización del grafeno compactado: (a) flexibilidad; (b y c) imágenes SEM transversales.4

Con el método desarrollado se ha conseguido un supercondensador con una densidad de energía volumétrica cercana a 60 Wh/L, lo que la sitúa en el rango de valores de las baterías de plomo ácido y muy por encima de los valores hasta ahora típicos en los supercondensadores (entre 5 y 8 Wh/L), por lo que la pregunta a responder en este momento es si este método o alguno similar se puede escalar para su aplicación industrial. Considerando las ventajas de la no agregación del grafeno es de esperar que este tipo de investigación pueda finalmente responder afirmativamente a esta pregunta.

Referencias

1.        http://www.graphene-flagship.eu/GF/index.php

2.        Royal Swedish Academy of Sciences (2010), Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010; http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/advanced-physicsprize2010.pdf

3.        H. Zhang, X. Zhang, X. Sun, D. Zhang, H. Lin, C. Wang, H. Wang, and Y. Ma, ChemSusChem, 2013, 6, 1084-1090.

4.        X. Yang, C. Cheng, Y. Wang, L. Qiu, D. Li, Science, 2013, 341, 534-537.

 

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