Han pasado 16 años desde que los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov aislaron por primera vez láminas individuales de grafeno, lo que les valió el premio Nobel de Física en 2010.

El grafeno, aun siendo el material más fino que se conoce, presenta unas propiedades mecánicas, ópticas y electrónicas excepcionales, haciéndolo extremadamente atractivo para un gran número de aplicaciones como la sensórica, el equipamiento deportivo o la automoción.

En los últimos años se ha hablado mucho sobre la inminente incorporación del grafeno a las baterías y supercondensadores. A pesar de ser un campo muy prometedor, quedan algunos años de investigación para que esta realidad llegue de manera generalizada al  mercado. Es cierto que la  incorporación del grafeno en los dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica podría mejorar notablemente algunas de sus prestaciones, incrementando, no solo su densidad de energía y su potencia, sino además su estabilidad y seguridad, y, haciendo viable el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de nueva generación como las baterías de litio-azufre (Li-S) o las de metal-aire.

El CIC energiGUNE, centro experto en almacenamiento de energía y participante desde el inicio del proyecto de investigación más ambicioso a nivel europeo hasta la fecha -Graphene Flagship-, ha desarrollado diversas estrategias para la integración del grafeno en distintos dispositivos electroquímicos avanzados de como los supercondensadores o las baterías. 

Grafeno en distintas tecnologías de almacenamiento

En el campo del almacenamiento de energía, el grafeno tiene una gran proyección, y su incorporación, principalmente en la formulación de los electrodos, ha dado lugar a la mejora significativa de ciertas propiedades en algunos dispositivos como los supercondensadores o las baterías. Además, sus propiedades mecánicas y electrónicas permitirán su integración en dispositivos flexibles y multifuncionales complejos.

En el caso de los supercondensadores, el grafeno representa una alternativa a los carbones activados con altas superficies específicas y porosidad tortuosa, que son utilizados generalmente en la fabricación de los electrodos para los condensadores electroquímicos. Su estructura laminar abierta no-porosa permite la adsorción de una gran cantidad de iones para la formación de la doble capa eléctrica de manera rápida y reversible. Esto combinado con su alta conductividad electrónica, posibilita incrementar la potencia de los dispositivos habilitando su uso en aplicaciones como filtros AC, antes restringida exclusivamente a condensadores convencionales. 

Grafeno para baterías y supercondensadores

El grafeno también puede contribuir a la mejora de los supercondensadores híbridos; dispositivos, que, en términos de energía, potencia y ciclabilidad, ocupan una posición intermedia entre las baterías de ion-litio y los supercondensadores de doble capa. En la línea de investigación de supercondensadores de CIC energiGUNE hemos comprobado recientemente que la incorporación del grafeno mejora la conectividad de los componentes del electrodo dando lugar a un aumento significativo en la potencia de dichos dispositivos.

El grafeno, del mismo modo, se puede utilizar para proteger y estabilizar la superficie del litio en baterías que incorporen litio metálico como electrodo negativo.

La sustitución de grafito por litio metálico en las baterías de litio, produce un incremento significativo en la densidad de energía del dispositivo, sin embargo, las limitaciones en cuanto a la estabilidad y seguridad dificultan su uso generalizado en baterías.

En cambio, la deposición de unas pocas capas o incluso una monocapa de grafeno, puede evitar el indeseado crecimiento de dendritas que podrían dar lugar a un cortocircuito, y, finalmente, a la explosión de la batería, sin que ello tenga asociado un incremento significativo en el peso del dispositivo.

Además, el grafeno abre la posibilidad de su uso como electrodo negativo en las baterías de iones de sodio, permitiendo una mayor capacidad gravimétrica del ánodo, altamente restringida en el caso de los ánodos de grafito. El desarrollo de las baterías de sodio-ion se beneficiaría de la abundancia del sodio y su distribución geográfica homogénea y de la posibilidad de utilizar aluminio como colector de corriente en el ánodo, lo que llevaría a una disminución en coste de dichos dispositivos frente a la tecnología actual basada en litio.   

Por último, la integración de grafeno en nuevas tecnologías innovadoras de almacenamiento de energía como las baterías de Litio-azufre o las de metal-aire, mejora algunas de sus limitaciones actuales, como la ciclabilidad o la potencia, y posibilitará su desarrollo a medio-largo plazo.

En el caso de las baterías de Li-S (formadas exclusivamente por litio, azufre y carbono) se consideran una alternativa a las baterías de litio convencionales.

Investigación grafeno

Últimos avances de CIC energiGUNE en el uso del grafeno

En un estudio recientemente desarrollado en nuestros laboratorios, hemos desarrollado aerogeles de óxido de grafeno producidos por la empresa vasca Graphenea, con una pequeña cantidad de nanotubos de carbono, que ha permitido la deposición de grandes cantidades de azufre.

Esta estrategia, no solo conduce a la obtención de electrodos con mayores capacidades específicas superficiales, sino que, además, el procesado de electrodos no requiere el uso de agentes aglutinantes ni su deposición en colectores de corriente metálicos, disminuyendo así el peso del dispositivo final e incrementando la densidad de energía gravimétrica del dispositivo.

Dicha estructura esponjosa proporciona una estructura que le confiere una mayor estabilidad alcanzándose más de 100 ciclos de carga y descarga sin apreciarse el deterioro de los electrodos ni la degradación de la celda.

Por otro lado, el grafeno también está siendo evaluado como electrodo en baterías de metal aire. Se trata de una tecnología muy prometedora debido a su alta densidad de energía teórica.

De hecho, los aerogeles de grafeno son idóneos para su uso como electrodos positivos en estas baterías ya que la combinación de su porosidad (que favorece la difusión de oxígeno hasta la superficie del electrodo y permite acomodar una gran cantidad de productos generados en la descarga de la batería) y su alta conductividad electrónica, hace que se consiga mejorar la estabilidad y ciclabilidad; talón de Aquiles de esta tecnología en la actualidad.

El futuro del grafeno, muy presente

En resumen, gracias a sus propiedades, el grafeno podría llegar a ser un componente fundamental en las tecnologías de almacenamiento de nueva generación, no solo mejorando su rendimiento en términos de densidad de energía, potencia, ciclabilidad o seguridad, sino además proporcionando un valor añadido: el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía flexibles o su integración en otros dispositivos, aspecto muy necesario en un futuro cercano basado en la interconexión digital (Internet of Things).