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Grafeno para la rejilla verde
La integración de fuentes irregulares de energía renovable, como la eólica y la solar, con la red eléctrica, mientras se mantiene constante la producción de energía, será un gran desafío. Los dispositivos de almacenamiento de energía llamados ultracondensadores podrían ayudar al almacenar subidas repentinas de energía. Pero mucho dependerá del desarrollo de una nueva generación de ultracondensadores con suficiente capacidad de almacenamiento para satisfacer la demanda probable.
Poder del grafeno: Graphene Energy espera que los electrodos de grafeno como este aumenten la capacidad de almacenamiento de energía y la potencia de salida de los ultracondensadores. Esta imagen, que muestra el borde de un electrodo de grafeno, se hizo con un microscopio electrónico de barrido.
Energía de grafeno , una startup con sede en Austin, TX, espera que los ultracondensadores con electrodos hechos de grafeno, láminas de carbono de solo un átomo de espesor, sean la solución. La capacidad de almacenamiento de un ultracondensador está limitada solo por el área de superficie de sus electrodos, y el grafeno ofrece una forma de aumentar en gran medida el área disponible.
Los ultracondensadores almacenan energía electrostáticamente, en lugar de químicamente, como en las baterías. Durante la carga, los electrones suben a la superficie de un electrodo y se forman agujeros de electrones en la superficie del otro. Esto atrae iones positivos en un electrolito al primer electrodo y iones negativos al segundo. Por el contrario, las reacciones químicas que se utilizan para cargar las baterías limitan la velocidad con la que se pueden cargar y, finalmente, provocan la degradación de los materiales de los electrodos. Los ultracondensadores se pueden cargar y descargar muy rápidamente, en segundos en lugar de minutos, y se pueden recargar millones de veces antes de desgastarse.
Sin embargo, los ultracondensadores actualmente en el mercado no pueden igualar la densidad de energía de las baterías, por lo que se usan principalmente en sistemas híbridos junto con baterías o para aplicaciones de nicho. Debido a que estos dispositivos pueden manejar una afluencia rápida de grandes cantidades de energía, a menudo se usan para recuperar energía, por ejemplo, cuando un autobús urbano frena o una grúa pórtico baja su carga. Los ultracondensadores empleados de esta manera han reducido en un 40 por ciento la energía que necesitan algunas grúas utilizadas en los puertos japoneses. Algunas herramientas eléctricas, incluido un taladro eléctrico, aprovechan la capacidad de recarga rápida de los ultracondensadores.
Graphene Energy espera abrir nuevas aplicaciones de ultracondensadores mediante el desarrollo de dispositivos con una potencia de salida mucho mayor. Estos ultracondensadores quizás podrían usarse para regular sobretensiones en la red eléctrica o para impulsar vehículos de transporte híbridos. La compañía tiene $ 500,000 en financiamiento inicial para comercializar ultracondensadores de grafeno desarrollados por Rodney Ruoff , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin. Ruoff es cofundador de Graphene Energy y también se desempeña como asesor tecnológico de la empresa.
Los ultracondensadores existentes utilizan electrodos hechos de carbón activado, un material poroso similar al carbón que tiene una superficie muy alta. Los depósitos de carbón activado se cargan en poros en forma de túnel y tarda aproximadamente un segundo en entrar y salir. Es muy rápido en comparación con las baterías más rápidas, pero el carbón activado tiene una potencia limitada.
Para hacer el grafeno para sus electrodos, el equipo de Ruoff comienza poniendo óxido de grafito en una solución de agua. Esto hace que el material se descascare en láminas delgadas como átomos de óxido de grafeno. A continuación, se eliminan los átomos de oxígeno, dejando atrás el grafeno. Hasta ahora, el laboratorio de Ruoff ha fabricado ultracondensadores de grafeno que igualan el rendimiento de los fabricados con carbón activado. Con más refinamientos, dice, deberían superar al carbón activado, aunque los pasos que está tomando su empresa para lograrlo siguen siendo secretos.
Basado en una descripción de los ultracondensadores de grafeno publicada el pasado mes de septiembre en la revista Nano letras , John Miller de JME, una firma de investigación y consultoría que se especializa en capacitores electroquímicos, dice que de hecho debería ser posible mejorar su desempeño. El electrodo de grafeno descrito en este documento está enrollado en una bola como una hoja de papel arrugada, dice Miller. No tienes acceso completo a la superficie.
Si Graphene Energy puede hacer crecer los electrodos en matrices verticales, como una hilera de hojas de papel perfectamente planas sobre los bordes, Miller dice que la salida de energía podría incrementarse dramáticamente. En esta disposición, cada átomo de carbono estaría expuesto y podría almacenar energía, prácticamente sin tiempo de espera para que la carga viaje por los túneles que se encuentran en el carbón activado.
Sin embargo, además de mejorar el rendimiento de sus ultracondensadores, Graphene Energy también debe desarrollar un método para fabricarlos a escalas más grandes, un desafío común en todas las investigaciones sobre grafeno.
Dileep Agnihotri , CEO de Graphene Energy, dice que la compañía espera probar su primer producto prototipo que incorpora electrodos de grafeno para fines de este año.
Otro grupo de investigadores espera fabricar mejores electrodos de ultracondensadores utilizando nanotubos de carbono: tubos enrollados de grafeno que tienen muchas de las mismas propiedades. Creo que ambos enfoques pueden funcionar en principio, dice Joel Schindall , profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que trabaja en los electrodos de nanotubos. La clave será lograr que el proceso de crecimiento sea correcto y luego trabajar en formas de fabricarlo de manera rentable.