Revolucionando la tecnología energética
Tecnología de supercondensadores escalables fabricados con grafeno
Los supercondensadores, o supercaps en abreviatura, son dispositivos de almacenamiento de energía rápidos y potentes. Complementan a las baterías de (des)carga relativamente lenta en numerosas aplicaciones que van desde los coches eléctricos a las máquinas industriales y las turbinas eólicas. Un equipo de investigadores del Empa quiere desarrollar mejores supercápsulas basadas en el grafeno y prepararlas para su producción comercial a gran escala.
Los supercondensadores son los ágiles hermanos pequeños de las baterías. Ambas tecnologías almacenan energía eléctrica. Las baterías tienen una alta densidad energética pero una baja densidad de potencia. En otras palabras, pueden almacenar mucha energía, pero su carga y descarga son bastante lentas. Los supercondensadores son todo lo contrario: Absorben y liberan energía a la velocidad del rayo, pero sólo pueden almacenar una pequeña cantidad.
"Las baterías son como un gran recipiente con un cuello estrecho que sólo puede llenarse lentamente. Los supercondensadores se parecen más a pequeños vasos con una abertura ancha. Se llenan rápidamente, pero tienen poco volumen", explica Sina Azad, investigadora del Empa. Las dos tecnologías se combinan a menudo: En un coche eléctrico, las supercápsulas captan rápidamente la energía de frenado y luego la pasan a las baterías, más lentas, para almacenarla. Las supercápsulas también se encuentran en huertos solares y turbinas eólicas, así como en máquinas industriales que a veces necesitan mucha electricidad rápidamente.
Azad, investigador postdoctoral del laboratorio de Polímeros Funcionales del Empa, y su equipo se han propuesto mejorar estos dispositivos de almacenamiento ubicuo y rápido desarrollando un nuevo tipo de electrodo basado en el grafeno. Esta forma bidimensional de carbono debería permitir a las supercápsulas alcanzar densidades de energía significativamente mayores.
"En la literatura científica se han descrito varias veces densidades de energía récord para supercondensadores", reconoce Azad. El objetivo de su proyecto de investigación no es batir récords, sino la escalabilidad. Desde el principio, los investigadores se centran en materiales y procesos que puedan aplicarse no sólo en el laboratorio, sino también a escala industrial. Por esta razón, su proyecto cuenta con el apoyo de Bridge, un programa de financiación conjunta de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) e Innosuisse.
La superficie importa
Al igual que una batería, un supercondensador consta de dos electrodos rodeados por un electrolito líquido. Durante la carga y la descarga, el electrolito transporta los iones (portadores de carga) de un electrodo al otro. Sin embargo, al contrario que en una batería, no se produce ninguna reacción química. "Los supercondensadores almacenan energía electrostáticamente depositando el mayor número posible de partículas cargadas en la superficie del electrodo", explica Jakob Heier, jefe del grupo de investigación Functional Thin Film Solution Processing del Laboratorio de Polímeros Funcionales, al que pertenece Sina Azad.
Por tanto, cuanto mayor sea la superficie del electrodo, más iones podrán adherirse a él y mayor será la densidad energética del supercondensador. "Hoy en día, el material de electrodos elegido suele ser el carbón activado de alta porosidad", explica Vahid Charkesht, investigador del Empa. Sin embargo, a diferencia del grafeno, el carbón activado tiene una conductividad eléctrica muy baja, lo que merma la capacidad de almacenamiento del electrodo.
Otro inconveniente surge durante el procesamiento del material. En la industria, los electrodos se imprimen en láminas flexibles en un proceso de rollo a rollo, luego se cortan y se enrollan en supercápsulas acabadas. Para poder imprimir el carbón activado en polvo sobre un material de soporte, se mezcla con agentes aglutinantes y otros aditivos que merman su porosidad.
De la tinta al producto
Imprimir grafeno tampoco es un hecho. El grafeno puro para aplicaciones industriales suele obtenerse a partir del grafito. Los métodos de producción convencionales tienen un rendimiento muy bajo de grafeno puro, que hay que separar de los residuos con un gran gasto. Sin embargo, gracias a un proyecto de investigación anterior, los investigadores de Empa tienen un as en la manga: han desarrollado un proceso con el que se puede "exfoliar" grafeno de alta calidad a partir de grafito de forma rentable y eficiente, y procesarlo en una tinta imprimible similar a un gel.
Esta tinta de grafeno ofrece una ventaja decisiva en la producción de electrodos para supercondensadores. Mediante la mezcla inteligente de dos tipos distintos de grafeno, los investigadores pueden influir selectivamente en el tamaño de los poros entre las capas de grafeno. "Si el tamaño de los poros del electrodo se ajusta al tamaño de los iones del electrolito, la densidad energética del supercondensador aumenta drásticamente", explica Azad. Con el carbón activado, controlar el tamaño de los poros es imposible.
Gracias a su alta conductividad, el tamaño preciso de sus poros, su gran superficie y su escalabilidad, es probable que los nuevos electrodos se conviertan en un producto de alta tecnología. "Al final del proyecto, queremos llevar nuestra tecnología al mercado, ya sea con socios industriales o con nuestra propia empresa derivada", afirma Jakob Heier.
Sin embargo, aún queda mucho por hacer: el proyecto se prolongará hasta 2028. Los investigadores no sólo quieren desarrollar la tecnología de electrodos, sino también fabricarlos e instalarlos en prototipos funcionales. El objetivo es definir los pasos correctos del proceso, encontrar un electrolito adecuado y luego caracterizar con precisión las supercápsulas acabadas. "Queremos desarrollar un producto real y fiable", resume Azad.
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