16 urte igaro dira Andre Geim eta Konstantin Novoselov zientzialariek grafeno xafla indibidualak lehen aldiz isolatu zituztenetik, eta horri esker fisikako Nobel saria jaso zuten 2010ean.

Grafenoak, ezagutzen den materialik finena izan arren, ezohiko propietate mekaniko, optiko eta elektronikoak ditu, eta oso erakargarria da hainbat aplikaziotarako, hala nola sentsorika, kirol-ekipamendua edo automobilgintzarako.

Azken urteotan asko hitz egin da grafenoa baterietan eta superkondentsadoreetan sartzeari buruz. Etorkizun handiko eremua izan arren, urte batzuk falta dira errealitate hori merkatura modu orokorrean iristeko. Egia da grafenoa energia elektrokimikoa biltegiratzeko gailuetan sartzeak bere prestazio batzuk nabarmen hobetu ditzakeela, bere energia-dentsitatea eta potentzia handitzeaz gain, bere egonkortasuna eta segurtasuna ere areagotuz, eta litio-sufrearen bateriak (Li-S) edo metal-airekoak bezalako belaunaldi berriko biltegiratze-teknologien garapena bideragarri eginez.

CIC energiGUNEk, energia biltegiratzeko zentro adituak eta Graphene Flagship-aren Europa mailako ikerketa-proiektu handizaleenaren partaidea hasieratik izanik, hainbat estrategia garatu ditu grafenoa energia biltegiratzeko gailu elektrokimiko aurreratuetan integratzeko, hala nola superkondentsadoreetan edo baterietan.

Grafenoa hainbat biltegiratze-teknologiatan

Energia biltegiratzearen arloan, grafenoak proiekzio handia du, eta elektrodoen formulazioan gehitzeak, batez ere, zenbait gailutan, superkondentsadoreetan edo baterietan, propietate batzuk nabarmen hobetzea ekarri du. Gainera, bere propietate mekaniko eta elektronikoek gailu malgu eta multifuntzional konplexuetan integratzea ahalbidetuko dute.

Superkondentsadoreen kasuan, grafenoa azalera espezifiko handiak eta porositate bihurria dituzten ikatz aktibatuen ordezko aukera bat da, normalean kondentsadore elektrokimikoetarako elektrodoak fabrikatzeko erabiltzen direnak. Bere egitura laminar ireki ez-porosak, ioi kopuru handi bat adsortzioa ahalbidetzen du, geruza bikoitz elektrikoa modu azkar eta itzulgarrian sortzeko. Honek, bere eroankortasun elektroniko handiarekin konbinatuz, gailuen potentzia handitzea ahalbidetzen du, AC iragazki bezalako aplikazioetan erabiltzea gaituz, lehen, soilik kondentsadore konbentzionaletara mugatua.

Grafenoa, bateria eta superkondentsadoreetarako

Grafenoak superkondentsadore hibridoak hobetzen ere lagun dezake; gailu horiek, energia, potentzia eta ziklabilitateari dagokienez, ion-litiozko baterien eta geruza bikoitzeko superkondentsadoreen arteko tarteko posizioa betetzen dute. CIC energiGUNEko superkondentsadoreen ikerketa-ildoan berriki egiaztatu dugu grafenoa sartzeak elektrodoaren osagaien konektibitatea hobetzen duela, gailu horien potentzia nabarmen handitzea eraginez.

Grafenoa, era berean, litioaren gainazala babesteko eta egonkortzeko erabil daiteke, elektrodo negatibo gisa litio metalikoa duten baterietan.

Litiozko baterietan grafitoaren ordez litio metalikoa erabiltzeak gailuaren energia-dentsitatea nabarmen handitzea eragiten du; hala ere, egonkortasunari eta segurtasunari buruzko mugek oztopatzen dute baterien erabilera orokorra.

Aldiz, geruza gutxi batzuk edo baita grafenozko monokapa bat ere utziz gero, zirkuitu labur bat sor lezaketen dentdritak nahi gabe haztea ekidin daiteke, eta, azkenik, bateriaren leherketa, horrek gailuaren pisua nabarmen handitzea eragin gabe.

Gainera, grafenoak elektrodo negatibo gisa erabiltzeko aukera zabaltzen du sodio-ioneko baterietan (NIBs), anodoaren gaitasun grabimetriko handiagoa ahalbidetuz, grafitozko anodoen kasuan oso mugatua. Sodio-ioneko baterien garapenak mesede egingo lieke sodioaren ugaritasunari eta banaketa geografiko homogeneoari, bai eta aluminioa anodoan korronte-kolektore gisa erabiltzeko aukerari ere; horrek gailu horien kostua murriztea ekarriko luke litioan oinarritutako egungo teknologiarekin alderatuta.

Azkenik, grafenoa energia biltegiratzeko teknologia berritzaile berrietan integratzeak (litio-sufre-bateriak edo metal-aire-bateriak, adibidez) egungo muga batzuk hobetzen ditu, hala nola ziklabilitatea edo potentzia, eta epe ertain eta luzera garatzea ahalbidetuko du.

Li-S baterien kasuan (litio, sufre eta karbonoz soilik osatuak) litiozko bateria konbentzionalen ordezko aukeratzat hartzen dira.

Grafenoa ikertzea

CIC energiGUNEren azken aurrerapenak grafenoaren erabileran

Gure laborategietan duela gutxi egindako azterlan batean, Graphenea euskal enpresak ekoitzitako grafeno oxidozko aerogelak garatu ditugu, karbonozko nanotubo kopuru txiki batekin, eta horri esker sufre kantitate handiak utzi dira.

Estrategia horren bidez, azaleko gaitasun espezifiko handiagoak dituzten elektrodoak lortzeaz gain, elektrodoak prozesatzeko ez da agente aglutinatzailerik erabili behar, ez eta horiek korronte metalikoko kolektoreetan utzi ere; horrela, azken gailuaren pisua gutxitzen da eta gailuaren energia grabimetrikoaren dentsitatea handitzen da.

Egitura esponjoso horrek egonkortasun handiagoa ematen dion egitura bat eskaintzen du, eta 100 zamalanetako ziklo baino gehiago lortzen ditu, elektrodoen narriadura eta gelaxkaren degradazioa aintzat hartu gabe.

Bestalde, grafenoa metalezko aire baterietako elektrodo gisa ere ebaluatzen ari dira. Etorkizun handiko teknologia da, energia teorikoaren dentsitate handiagatik.

Izan ere, grafenozko aerogelak egokiak dira bateria horietan elektrodo positibo gisa erabiltzeko; izan ere, haien porositatea (oxigenoa elektrodoaren azaleraraino hedatzen laguntzen duena eta bateria deskargatzean sortutako produktu asko egokitzea ahalbidetzen duena) eta eroankortasun elektroniko handia konbinatzeak egonkortasuna eta ziklabilitatea hobetzea eragiten du; gaur egun, teknologia horren Akiles taloia da.

Grafenoaren etorkizuna, oso presente

Laburbilduz, grafenoa, bere propietateei esker, funtsezko osagaia izan liteke belaunaldi berriko biltegiratze-teknologietan, energia-dentsitateari, potentziari, ziklabilitateari edo segurtasunari dagokienez bere errendimendua hobetzeaz gain, balio erantsi bat emanez: energia biltegiratzeko gailu malguak garatzea edo beste gailu batzuetan integratzea, oso beharrezkoa baita interkonexio digitalean oinarritutako etorkizun hurbilean (Internet of Things).

Daniel Carriazo, CIC energiGUNE-ren ikertzailea

Egilea: Daniel Carriazo doktorea, CIC EnergiGUNEko Superkondentsadoreen lineako arduraduna, Ikerbasque Research Associate, WP12ko Deputy Leader (energia biltegiratzea), Graphene Flagship.