Baterías de vehículos eléctricos y grafeno: un futuro que ya es una realidad, en algunos casos. He aquí cómo y por qué este innovador material está dejando su impronta en el sector de la movilidad eléctrica, pero no sólo.
«El grafeno, como alótropo del carbono, tiene propiedades y características muy eficientes y capaces de marcar un hito en diversos campos «*.
Debido a sus características y potencial, la UE anunció en 2013 un plan de inversión de diez años (Graphene Flagship project) para desarrollar tecnologías basadas en el grafeno.
El proyecto reunió a casi 170 socios académicos e industriales de 22 países para fomentar las aplicaciones comerciales.
Sommario
- 1 Grafeno, ¿qué es?
- 2 Un material excepcional
- 3 El futuro del almacenamiento de energía
- 4 Grafeno, lo que dicen los estudios
- 5 Desarrollo industrial del grafeno
- 6 Baterías para vehículos eléctricos, demanda creciente
- 7 Aplicaciones de las baterías de metal-aire basadas en grafeno
- 8 Retos y evolución futura
- 9 Acerca de Fastbrain y por qué elegirlo
- 10 Póngase en contacto con nosotros para una consulta gratuita
Grafeno, ¿qué es?
Inventado en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, investigadores de la Universidad de Manchester y ganadores del Premio Nobel de Física en 2010, el grafeno es un nanomaterial formado por una única capa de átomos de carbono en forma de red hexagonal.
Un millón de veces más fino que un cabello humano, es el objeto más delgado jamás inventado, pero al mismo tiempo está entre los más resistentes, unas 200 veces más que el acero, y también es un excelente conductor térmico, con una velocidad superior a la de la mayoría de los demás materiales. *
Este innovador material sigue siendo objeto de diversas pruebas e investigaciones, que afectan a las economías de todo el mundo.
Pero, ¿cómo puede mejorar la producción de baterías para vehículos eléctricos?
Descubramos sus peculiaridades y puntos fuertes.
Un material excepcional
El grafeno es un material excepcional con varias propiedades positivas que lo convierten en objeto de investigaciones y aplicaciones innovadoras. He aquí tres aspectos positivos:
Extraordinaria conductividad eléctrica:
El grafeno es conocido por su excepcional conductividad eléctrica. Su estructura bidimensional de láminas de carbono permite al grafeno transportar electrones a una velocidad extremadamente alta (6 veces más rápido que el cobre).
Esto lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones en electrónica, como semiconductor y en baterías de alta eficiencia.
Alta conductividad térmica:
Además de su excelente conductividad eléctrica, el grafeno también presenta una elevada conductividad térmica.
Su capacidad para disipar el calor con eficacia lo hace valioso en aplicaciones como dispositivos térmicos, sistemas de refrigeración y materiales compuestos avanzados.
Robustez y resistencia mecánica:
Extremadamente robusto a pesar de su delgada estructura, el grafeno tiene una resistencia mecánica superior a la de muchos materiales convencionales, lo que lo hace idóneo para aplicaciones en las que la ligereza y la resistencia son cruciales, como en materiales compuestos avanzados, revestimientos resistentes al desgaste y aplicaciones aeroespaciales.
Estos aspectos positivos están respaldados por investigaciones publicadas en revistas científicas autorizadas, que demuestran su potencial revolucionario en diversos campos tecnológicos y científicos.
El futuro del almacenamiento de energía
El grafeno, como ya se ha dicho, consiste en una lámina de carbono puro con una sola capa de átomos colocados de forma reticular para formar un hexágono regular. Su vida útil es muy superior a la del litio y sus propiedades son similares a las del carbono; es extremadamente duradero y cinco veces más ligero que el aluminio.
Es mucho más fácil de sintetizar en el laboratorio y las pilas fabricadas con este material pueden durar mucho más que las de litio.
Un verdadero cambio de juego y probablemente un punto de inflexión en la industria del e-car.
Potencia y eficacia son los dos elementos clave en los que se centran las pruebas. Los resultados positivos obtenidos hasta ahora son un buen augurio para su uso a corto plazo en el almacenamiento de energía, lo que dará lugar a baterías más duraderas y de mayor rendimiento.
Una ventaja también para el medio ambiente, dado el mayor tiempo de vida útil en términos de desgaste. Esto también beneficia a la propia recarga, que es mucho más corta que la de las baterías de litio.
Estos aspectos hacen que las baterías de grafeno sean perfectas para diversas aplicaciones, por ejemplo en la ciencia de los materiales y, sobre todo, para los coches eléctricos; la carga rápida eliminaría los tiempos de carga nocturna con un menor consumo de energía y frecuencia de carga.
Esta tecnología también puede aplicarse a productos como smartphones (recargables en cinco minutos), pantallas flexibles, paneles solares, desalinizadores de agua de mar, smartwatches y otros gadgets que requieren carga eléctrica.
Grafeno, lo que dicen los estudios
El estudio «Synthesis and characterisation of graphene and its composites for Lithium-Ion battery applications: A comprehensive review» muestra que, en los últimos años, la demanda de baterías recargables de iones de litio de alto rendimiento ha crecido considerablemente, centrándose en la mejora de los materiales conductores de electricidad más avanzados.
El grafeno y los materiales basados en él han sido objeto de nuevos estudios e investigaciones y ahora se reconocen como materiales de alto rendimiento en cuanto a conductividad eléctrica.
El grafeno se creó a partir de carbono bidimensional y presenta una extraordinaria conductividad eléctrica, excelente movilidad intrínseca de los electrones, mayor resistencia mecánica, transparencia fotosensible, actividad catalítica y estabilidad química.
Este material y sus compuestos se presentan como «materiales de interés» para diversas tecnologías de almacenamiento de energía, especialmente en baterías de litio.
Sus excepcionales propiedades, como su enorme superficie, alta conductividad eléctrica y movilidad intrínseca de electrones, lo hacen ideal para mejorar el rendimiento de las baterías.
El artículo menciona varios estudios de investigación que han utilizado grafeno en combinación con otros materiales para mejorar la capacidad, la velocidad de carga/descarga y la estabilidad cíclica de las baterías de litio.
Desde su creación, el grafeno ha suscitado gran interés por sus extraordinarias propiedades, como transparencia, ligereza, flexibilidad y resistencia.
Sin embargo, la producción a gran escala es limitada debido a los elevados costes. Se han utilizado varias técnicas sintéticas para producir grafeno de alta calidad, pero el reto sigue siendo optimizar los costes de producción.
No obstante, el grafeno sigue siendo un candidato prometedor para mejorar el rendimiento de las baterías de litio y contribuir al desarrollo de tecnologías avanzadas de almacenamiento de energía.
Desarrollo industrial del grafeno
Una batería de grafeno a prueba de balas
Nanotech Energy, en colaboración con Voltaplex, ha desarrollado una batería de grafeno a prueba de balas que no arde a altas temperaturas.
La necesidad de fabricar un sistema de almacenamiento más seguro surge de la observación de la frecuencia con que, a altas temperaturas, las baterías tienden a incendiarse.
La Comisión para la Seguridad de los Productos de Consumo informó en 2018 en Estados Unidos de más de 25.000 incidentes en los que las baterías se sobrecalentaron hasta el punto de provocar incendios.
En las primeras pruebas se utilizó el grafeno en una nueva batería de iones de litio, con tensiones incluso superiores a 180º sin incendiarse.
Otra prueba, que se ha hecho viral en la red, es el disparo de una bala que, aunque atraviesa la batería a 900 m/s, no provoca chispas.
Curtis Collar, Jefe de Ventas de Nanotech Energy escribe:
«Hemos leído muchas veces sobre enormes incendios provocados por pilas baratas y de mala calidad. Sus efectos devastadores han causado importantes pérdidas a personas: a veces sus hogares, a veces sus negocios. En el peor de los casos, incluso sus vidas. Con nuestra batería, decimos basta ya.
Todo parece estar listo, por tanto, para un inminente lanzamiento al mercado.
Baterías de grafeno en el todoterreno GAC
El prestigioso fabricante chino de automóviles GAC ha anunciado oficialmente el próximo lanzamiento de su SUV eléctrico de nueva generación, el Aion V.
Lo que hace único a este vehículo es la adopción de una batería de grafeno, que permite una extraordinaria velocidad de carga del 0% al 80% en sólo 8 minutos. El Aion V superó con éxito las pruebas de demostración, alcanzando una potencia máxima de carga de 481 kW.
El SUV estará disponible en dos versiones, 3C y 6C, siendo la 6C capaz de soportar carga ultrarrápida, prometiendo una autonomía excepcional de 1.000 km según la norma NEDC. Durante las pruebas, se comprobó que el coche recibía 35,1 kWh en sólo cuatro minutos, lo que pone de manifiesto la eficiencia de la batería de grafeno.
GAC lleva desde 2014 consolidando su experiencia en el campo del grafeno, afirmando que es capaz de aplicar esta tecnología no solo a las baterías de iones de litio, sino también a las baterías de litio-azufre y a los supercondensadores.
Sin embargo, su aplicación tendrá que esperar. GAC cumplió sus promesas de principios de año sobre la introducción a tiempo de esta revolucionaria batería de grafeno, iniciando la producción en serie sin facilitar aún datos detallados sobre capacidad y velocidad máxima de carga, aspectos en los que el grafeno destaca.
Baterías para vehículos eléctricos, demanda creciente
Un reciente informe de la AIE (Agencia Internacional de la Energía) analiza el estado de la demanda de baterías para vehículos eléctricos.
En particular, se observa que la demanda de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos (VE) aumentó en torno a un 65%, hasta alcanzar los 550 GWh en 2022, frente a los 330 GWh de 2021. Este aumento se debe principalmente al crecimiento de las ventas de coches eléctricos, con un aumento de las nuevas matriculaciones del 55% en 2022 en comparación con 2021.
En China, la demanda de baterías para vehículos creció más de un 70%, mientras que las ventas de coches eléctricos aumentaronun 80% en 2022 en comparación con 2021.
En Estados Unidos, la demanda de baterías para vehículos ha crecido cerca deun 80%, a pesar de que las ventas de coches eléctricos sólo aumentarán un 55% en 2022.
El tamaño medio de las baterías de los coches eléctricos en Estados Unidos creció solo un 7 % en 2022, pero sigue siendo un 40 % mayor que la media mundial, debido principalmente a la mayor proporción de SUV en las ventas de coches eléctricos estadounidenses.
La venta de coches eléctricos
La tendencia mundial* muestra que las ventas de coches eléctricos de batería (BEV) e híbridos enchufables (PHEV) están superando a las de vehículos eléctricos híbridos (HEV ), lo que aumenta aún más la demanda de baterías.
El aumento de la demanda de baterías repercute en la demanda de materiales críticos como el litio, el cobalto y el níquel.
Pilas: difusión y tendencias
La química de las baterías de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC) sigue siendo dominante, con una cuota de mercado del 60%, seguida del fosfato de litio-hierro (LFP), con alrededor del 30%, y el óxido de aluminio-cobalto-níquel (NCA), con cerca del 8%.
Las baterías LFP están ganando cuota de mercado, sobre todo por la preferencia de los fabricantes chinos. Alrededor del 95% de las baterías de LFP para vehículos eléctricos ligeros (LDV) se destinan a vehículos producidos en China. Tesla, que representa el 15% de la demanda de baterías de LFP, aumentó su cuota del 20% en 2021 al 30% en 2022.
Las baterías LFP se diferencian de otras químicas por el uso de hierro y fósforo en lugar de níquel, manganeso y cobalto. Sin embargo, las baterías LFP tienen una densidad energética menor que las NMC y contienen fósforo, un elemento que también se utiliza en la producción de alimentos. Si todas las pilas fueran de LFP, podrían representar casi el 1% del uso actual de fósforo agrícola en el mundo.
Están surgiendo alternativas a las baterías de litio, como las de iones de sodio (Na-ion), que son más baratas y no requieren materiales críticos. Se calcula que las baterías de Na-ion desarrolladas por el CATL chino cuestan un 30% menos que las de LFP, pero tienen una densidad energética menor. Sin embargo, los Na-iones podrían ser adecuados para vehículos urbanos o almacenamiento estacionario.
Los precios de los materiales críticos pueden influir en la elección de la química de la batería. La variación del precio y la disponibilidad de los materiales críticos puede explicar el desarrollo de las químicas de las baterías en los últimos años. El uso de níquel en las baterías NMC ha llevado a preferir proporciones más bajas de níquel (NMC622 y NMC811) debido al aumento del precio del níquel en 2022.
Los precios del carbonato de litio han subido en los últimos dos años, alcanzando seis veces la media de 2015-2020 a principios de 2023. Aunque los precios del litio cayeron un 20% en los tres primeros meses de 2023, esto podría traducirse en precios más bajos de las baterías si la tendencia continúa.
Precios: China tiene los más bajos
El efecto del aumento de los precios de los materiales de las baterías se diferencia entre las distintas químicas, con un incremento más pronunciado en el caso de las baterías LFP. Sin embargo, a pesar del aumento de precio, las baterías de LFP siguen siendo más baratas que las de NCA y NMC por unidad de capacidad energética.
Los precios de las baterías también varían entre regiones, siendo China la que tiene los precios más bajos por término medio. China es el mayor productor de células bacterianas y cátodos, lo que contribuye a la disparidad mundial de precios. Según Bloomberg New Energy Finance (BNEF), se espera que los costes de producción de baterías sigan disminuyendo en el futuro, con una previsión de reducción del 20% para 2025.
En conclusión, la demanda de baterías para vehículos eléctricos no deja de crecer, impulsada por el aumento de las ventas de coches eléctricos.
Sin embargo, la industria sigue a merced de los cambios en las preferencias químicas de las baterías, los precios de los materiales críticos y los avances tecnológicos. Las baterías de LFP están ganando popularidad, pero están surgiendo alternativas como las baterías de Na-ion como opciones más baratas y sostenibles.
Aplicaciones de las baterías de metal-aire basadas en grafeno
Las baterías flexibles de metal-aire ofrecen ventajas en ámbitos como:
- Baterías multivalentes metal-aire flexibles: el uso de grafeno en electrodos ha mejorado el rendimiento de las baterías multivalentes metal-aire, como las de aluminio y zinc, con una excelente flexibilidad y estabilidad cíclica.
- 2. Baterías flexibles de litio-aire basadas en grafeno: El uso de papel flexible de óxido de grafeno (GO) ha mejorado la eficiencia de las baterías de litio-aire al permitir una mayor permeabilidad al oxígeno y mantener una buena capacidad de descarga y carga.
- Baterías de metal-aire con grafeno: el interés se centró en las baterías de metal-aire, como las de zinc y litio, debido a su alta densidad energética. La investigación pretende desarrollar electrodos flexibles que garanticen la flexibilidad y la permeabilidad al aire.
Rendimiento y uso
El uso de grafeno en baterías flexibles ofrece alto rendimiento, estabilidad cíclica y flexibilidad. Las baterías multivalentes basadas en grafeno muestran una alta eficiencia incluso a altas corrientes. Además, el grafeno puede utilizarse directamente como cátodo autoportante gracias a su elevada conductividad eléctrica.
Retos y evolución futura
El uso del grafeno en las pilas de metal-aire abre el camino a soluciones sostenibles y vanguardistas en ámbitos como la depuración del agua, su recogida y el tratamiento de aguas residuales industriales.
Las nuevas investigaciones se centrarán en optimizar el rendimiento, reducir costes y ampliar las aplicaciones del grafeno.
Acerca de Fastbrain y por qué elegirlo
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Recursos y fuentes:
*nanographs.com
*https://www.europarl.europa.eu/topics/it/article/20150603STO62104/grafene-il-materiale-che-cambiera-il-21deg-secolo
https://www.wired.it/article/grafene-materiale-futuro-cose-sapere-applicazioni/ https://www.rigeneriamoterritorio.it/batterie-al-grafene-prospettive-future-energia-sostenibile/
https://nanografi.com/blog/applications-of-graphene-in-metalair-batteries/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016823006269
*https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023/trends-in-batteries
https://www.repubblica.it/motori/2024/01/11/news/auto_elettrica_arrivano_le_batterie_al_grafene_a_prova_di_proiettile_che_non_si_incendiano_mai-421854603/
https://insideevs.it/news/528201/gac-aion-v-batteria-grafene/
