Grafeno para baterías de iones de litio más ecológicas

Un proyecto para agregar grafeno ultrafino a las celdas tradicionales de iones de litio ofrece una mayor capacidad y vida útil para futuras baterías espaciales.

Las baterías servirían para misiones espaciales más pequeñas.
Las baterías servirían para misiones espaciales más pequeñas.

Más duro que el diamante y más conductor de electricidad que el cobre, mientras que también es un millón de veces más delgado que el papel: el grafeno es el mayor descubrimiento del siglo XXI en la ciencia de los materiales del siglo y la ESA ha estado trabajando para beneficiarse de las propiedades milagrosas del grafeno.

"Los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías, se están convirtiendo en una parte crítica de la cadena de valor de esta nueva economía verde"

"A medida que el mundo está pasando de la energía de los combustibles fósiles a la electrificación libre de emisiones, los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías, se están convirtiendo en una parte crítica de la cadena de valor de esta nueva economía verde", explica Athanasios Masouras de Pleione Energy, con sede en Grecia.

"Satisfacer la mayor demanda de baterías de mayor densidad de potencia y carga rápida significa recurrir a materiales novedosos, porque las soluciones existentes se enfrentan a límites de rendimiento estrictos", agrega.

La compañía trabajó con la ESA en un proyecto para industrializar la producción de electrodos de baterías de iones de litio que incorporan grafeno como su principal material activo, produciendo decenas de metros a la vez. Estos electrodos negativos se utilizaron para celdas de batería de iones de litio que se produjeron y probaron de acuerdo con las normas de la Cooperación Europea para la Normalización Espacial, ECSS, que representan la calidad lista para el espacio.

Capa de grafeno de espesor atómico.
Capa de grafeno de espesor atómico. Imagen: ESA.

"El desafío era escalar de las actividades de laboratorio a la producción industrial, con el potencial de fabricar kilómetros de electrodos a la vez", comenta el especialista en materiales de la ESA, Ugo Lafont.

"Nuestra celda de placa de pruebas muestra buenas propiedades, produciendo 12.5 Ah de energía, ofreciendo una forma europea de mejorar la capacidad de la batería y mejorar las características electroquímicas clave. En particular, el tamaño nanométrico del grafeno garantiza una mayor movilidad de los iones de litio en el corazón del sistema, lo que lleva a una mejor capacidad para la misma cantidad de material y mayores tasas de carga y descarga sin degradar el sistema. El potencial está ahí para nuevas baterías baratas pero confiables adecuadas para satélites pequeños y CubeSats en particular", añade.

"Hemos logrado aumentar la capacidad específica del ánodo de la batería en comparación con el grafito tradicional, y desarrollar electrodos que mantienen su rendimiento en altas densidades de corriente"

Por su parte, Athanasios señala: "Habiendo completado las celdas de la batería e integradas en un paquete de baterías, la verdadera prueba se produjo cuando lo expusimos al perfil de temperatura de una misión típica de órbita terrestre baja, lo que significa cambios frecuentes de la luz solar de alta temperatura a la oscuridad fría. Pero, nuestras pruebas confirmaron que hemos logrado aumentar la capacidad específica del ánodo de la batería en comparación con el grafito tradicional, y desarrollar electrodos que mantienen su rendimiento en altas densidades de corriente, lo que los hace adecuados para aplicaciones de carga / descarga rápida”.

El representante de la firma Pleione Energy afirma que "el grafeno en general ofrece alrededor de un 20% más de capacitancia específica que el grafito, mientras que su resistencia a densidades de corriente más altas debería significar una mayor vida útil del ciclo de las baterías, un funcionamiento más seguro debido a una temperatura más baja y una reducción general en el consumo de material y, por lo tanto, en el costo".

Grafeno en polvo.
Grafeno en polvo. Foto: ESA.

Proyecto de almacenamiento de energía de grafeno rentable

El proyecto de almacenamiento de energía de grafeno rentable, COORAGE, fue llevado a cabo por Pleione Energy y el Instituto Fraunhofer de Investigación de Silicatos de Alemania para idear un proceso industrial de extremo a extremo para la producción de electrodos, con Omnidea-RTG en Alemania diseñando las celdas de batería de la placa de pruebas del proyecto.

"El proceso en sí no es revolucionario", agrega Ugo. "El verdadero paso adelante está en la forma en que se agrega el grafeno. Los electrodos siempre necesitan colectores de corriente metálicos que recojan la corriente y se conecten a circuitos externos. Estos colectores positivos y negativos tienen materiales activos adheridos a ellos, que vienen en forma de polvos, por lo que deben laminarse y pegarse a su colector actual, como convertir la harina en masa de panqueques con la que puede cocinar.

"Hemos cambiado al agua como disolvente mezclado con nanocristales de celulosa tomados de biomasa vegetal, que es cien veces más barato"

"Así que este polvo se convierte en una suspensión para ser pintada en el colector de corriente, uniéndolo en su lugar para un contacto íntimo que permite que los electrones fluyan. Pero, en el pasado este proceso requería solventes costosos y altamente tóxicos. Hemos cambiado al agua como disolvente mezclado con nanocristales de celulosa tomados de biomasa vegetal, que es cien veces más barato", explica

Asimismo, Athanasios añade: "Además de reducir la huella ambiental general del proceso, la eliminación de estos disolventes, que son costosos tanto de comprar como de manejar, reduce significativamente los costos de fabricación en alrededor del 20% y hace que la producción de baterías cumpla con los estándares ambientales más estrictos de la UE".

BATERÍA DE PRUEBA
Batería de prueba. Foto: ESA.

Batería COORAGE

El proyecto COORAGE, apoyado a través del Programa de Tecnología de Apoyo General (GSTP) de la ESA que prepara productos prometedores para el espacio y el mercado, también está investigando el aprovechamiento del grafeno para supercondensadores de iones de litio, que son dispositivos de almacenamiento de energía capaces de ofrecer breves ráfagas de alta velocidad de muy alta potencia.

"Nuestro próximo paso será transferir nuestra tecnología a células estandarizadas cilíndricas, luego aumentar su nivel de preparación tecnológica, a través de pruebas exhaustivas, con nuestro objetivo final de calificar para el vuelo espacial"

"Nuestro próximo paso será transferir nuestra tecnología a células estandarizadas cilíndricas, luego aumentar su nivel de preparación tecnológica, a través de pruebas exhaustivas, con nuestro objetivo final de calificar para el vuelo espacial", señala Athanasios.

"Estamos agradecidos por haber tenido la oportunidad de trabajar con la ESA, que ha sido esencial para alcanzar nuestros objetivos. Para las pequeñas y medianas empresas, trabajar con GSTP y programas similares de la ESA es un recurso crítico para acercar las tecnologías al espacio, al proporcionar una mentalidad espacial desde las primeras etapas de un proyecto", concluye.

Fuente: ESA.