Avances en el almacenamiento de electricidad con el Grafeno.

Los esfuerzos por conseguir baterías que permitan el uso casero de las energías alternativas o el automóvil eléctrico no paran.

Como ya sabemos, los secretos sobre el motor eléctrico no existen y su rendimiento está muy por encima del motor de explosión interna. Además la construcción del primero sobre el segundo es mucho más barata y sencilla, además de más barato de mantener.

Así que lo que encare hasta límites estratosféricos al coche eléctrico son sus baterías. En la actualidad el precio de estos vehículos está a la altura de los mejores autos de lujos. Hay que añadir a todo eso algo que sabe cualquier usuario de ordenador portátil y es que al cabo de un tiempo la batería de litio se muere y hay cambiarla.

Estos inconvenientes se suman a las dudosas cualidades ecológicas de estos vehículos. En un estudio realizado en EEUU se llegó a la conclusión de que en muchos estados si se usan este tipo de vehículos, y dado el origen termoeléctrico basado en combustibles fósiles de la energía eléctrica, es ecológicamente igual o peor que usar un auto híbrido.

Por otro lado, cada vez usamos más dispositivos electrónicos móviles que demandan cada vez más energía. Incluso las baterías más caras pueden llegar a ser rentables para este tipo de dispositivos.

Quizás la solución al problema de las baterías sea su sustitución por supercondensadores. Un condensador puede almacenar carga eléctrica de forma “viva” y no gracias a reacciones químicas. Tiene la ventaja de una carga inmediata y de aguantar un número de ciclos de carga ilimitado. El problema es que a igualdad de peso los supercondensadores almacenan menos carga que una batería convencional.

Esto podría cambiar a raíz de un resultado reciente basado en el grafeno (tan de moda gracias a los premios Nobel, pero que mencionamos por aquí hace cinco años). Han conseguido un condensador basado en este material capaz de proporcionar 85,6 Wh/kg a temperatura ambiente y 180 Wh/kg a 80 grados centígrados. Estos valores son plusmarca mundial para supercondensadores basados en nanomateriales de carbono. El grafeno es una monocapa flexible de carbono en celdas hexagonales que conduce muy bien la electricidad. En este condensador se usó además un compuesto de acetileno, un producto químico denominado PTFE y el electrolito Celguard-3501.

Recordemos que la capacidad de un condensador depende en gran medida del área de las placas. En este caso, al usar grafeno se tiene una buena relación de superficie/peso. Una capa de grafeno ocupa una superficie de 2675 metros cuadrados por gramo.

La capacidad de almacenamiento del prototipo es comparable a la de las baterías de hidruros de níquel, pero permite su carga en segundos o minutos. Según Bor Jang, uno de los científicos de Nanotek Instruments implicados en el desarrollo, se podría usar este tipo de tecnología en teléfonos móviles, cámaras digitales, etc.

Estos científicos siguen intentando aumentar la capacidad de este tipo de condensador con la meta de conseguir un sistema que supere a la mejor batería de iones de litio (a igualdad de peso).

Aunque hay muchos equipos tratando de conseguir supercondensadores basados en grafeno los dispositivos obtenidos hasta la fecha no llegan, ni de lejos, a los valores de capacidad teóricos de 550 F/g (faradios por gramo). Pese a la buena relación área/peso, los condensadores de grafeno no alcanzan el límite teórico debido a que las distintas capas de grafeno se pegan unas a otras. En este caso se trata de evitar este problema curvando las distintas capas.

Distintas fotos por microscopia electrónica de los virus dispuestos en la batería y una amplificación de uno de ellos recubierto por distintas capas. Fuente: University of Maryland, College Park.

Pero si el sistema de grafeno nos parece poco exótico quizás sí nos sorprenda otro resultado logrado por Reza Ghodssi y su equipo de la Universidad de Maryland. Estos investigadores tratan de aprovechar las propiedades de autorreplicación y autoemsamblado de los virus para conseguir mejores baterías y pilas de combustible.

En este caso han usado, en concreto, virus del mosaico del tabaco (TMV) que bajo el microscopio electrónico tienen la forma de espagueti. Este virus ataca las plantas de tabaco, tomate, pimientos y otras plantas. En el laboratorio han conseguido usar las características de este virus para construir pequeños componentes para las baterías de litio del futuro.

Los investigadores implicados pueden modificar genéticamente estos virus para que se peguen perpendicularmente a la superficie metálica de los electrodos de una batería o hacer que se arreglen en patrones intrincados pero ordenados. Luego pueden recubrir el resultado con una película conductora (los virus en sí son malos conductores de la electricidad), generalmente consistente en níquel. Se trata, como en otros casos, de aumentar la superficie para poco espacio y peso que facilite las reacciones químicas de la batería. Añadiendo el electrolito se finalizaría la confección de la misma. Durante el proceso de manufactura los virus quedan inutilizados.

Como resultado de este aumento de superficie consiguen aumentar la capacidad de las baterías y facilitar su recarga. Según afirman, con este sistema se puede aumentar en 10 veces la capacidad de las baterías de ión litio.

Los investigadores creen que podría usarse este tipo de baterías en dispositivos ultrapequeños como sensores y similares. Esta afirmación hace pensar en las dificultades de conseguir grandes volúmenes de baterías, pero según los investigadores el uso de TMV en la fabricación de baterías se puede escalar hasta la producción industrial. Afirman que el proceso es simple, barato y renovable.

En promedio, una hectárea de tabaco puede producir más de una tonelada de hojas que pueden proporcionar dos kilos de virus. En todo caso, es el mejor destino que uno puede imaginar para las hojas del tabaco.

Además, el uso de virus no estaría limitado a las baterías, estos investigadores ya trabajan en la detección de explosivos basándose en la gran superficie proporcionada con este método.