GRAFENO y BATERÍAS DE LITIO-AIRE

El problema de la implantación de las baterías de Litio-Ion en los vehículo eléctricos
 es su escasa densidad energética. La energía esquivalente de la mayor
batería montada en un automóvil eléctrico, apenas iguala la que
poseen 2.5 litros de gasolina.

El futuro de las baterías para dispositivos móviles parece pasar por la utilización del grafeno en las llamadas baterías de litio-aire. Con su forma parecida al coral, el material poroso del grafeno puede reemplazar a las hojas de grafeno que se han utilizado en los primeros experimentos con este tipo de baterías. Eso permite que los poros puedan servir de alojamiento a pequeñas partículas de elementos escogidos. Eso dota a las nuevas baterías de dos ventajas. Por un lado no necesitan utilizar platino que es un metal precioso sumamente caro y, por otro, conseguir la batería con mayor densidad energética que se haya logrado hasta el momento. Las baterías de litio-aire puede permitir la creación de automóviles eléctricos de autonomía extendida que alcancen los 480 km entre recargas.

“La estructura de auto-ensamblado organizado de hojas de grafeno es un diseño ideal no solo para las baterías de litio-aire, sino también para muchas otras aplicaciones energéticas”, dijo el doctor Xiao Jie, el científico del PNNL (Iniciativa Científica de Transformación de Materiales) que ha dirigido este estudio.

El equipo comenzó con la utilización de un agente de unión para dispersar el grafeno en una solución, del mismo modo que el jabón dispersa la grasa en el fregadero. El grafeno y el agente son entonces añadidos al agua para formar una solución en la que se pueden crear burbujas. Entorno a las mismas se acumula y solidifica el material. El resultado es la obtención de esferas huecas de grafeno de 3 a 4 micras de diámetro, diez veces más pequeñas que un cabello humano.

Grafeno poroso en baterías de Litio-Aire

Los investigadores estudiaron el compuesto utilizando técnicas de microscopía electrónica para analizar la estructura y encontraron que es capaz de almacenar más de 15.000 miliamperios hora por gramo de grafeno, logrando la mayor densidad energética medida hasta el momento. La nueva batería logra la mayor capacidad de almacenamiento energético en presencia d oxígeno puro. Cuando opera en ambiente de aire, la capacidad disminuye porque la humedad ambiental contamina el metal de litio de la batería. Los científicos investigan el modo de interponer una membrana que bloquee el agua pero permita el paso del oxígeno hasta el centro de reacción.

“Muchos catalizadores se estudian ahora para esta tecnología. En nuestro proceso nosotros elegimos no utilizar metales preciosos”, dijo Dr. Ji-Guang Zhang, jefe del grupo de investigación del PNNL. “Esto podría reducir de forma considerable los precios de producción y convertir la tecnología en comercializable”.

Un importante problema que queda por resolver es el de la recarga. Este tipo de baterías no son plenamente recargables. Para ello están trabajando en un nuevo electrodo y un nuevo catalizador para que la batería permita múltiples ciclos de recarga”. Ahora nos toca esperar, hasta comprobar la verdadera eficacia de este nuevo tipo de baterías.

EL GRAFENO OPTIMIZA LA EXTRACCIÓN DE PETRÓLEO

Estrellas de GO (óxido de grafeno)

El grafeno, un material que se obtiene de las minas de los lápices por la acción de una bacteria común, no para de cosechar éxitos en sus aplicaciones electrónicas e industriales. La última está relacionada con el mundo del petróleo y las perforaciones de nuevos pozos.

Un nuevo compuesto de óxido de grafeno (GO) funcionalizdo con alcohol es capaz de aumentar la eficiencia de las perforaciones petrolíferas, a la vez que las convierte en más respetuosas con el medio ambiente.

Los investigadores de la Universidad de Rice, están aprovechando las excepcionales cualidades del grafeno para mejorar la solubilidad de los lodos que se inyectan durante la perforación de los nuevos pozos de petróleo. El químico James Tour y científicos de la empresa MI SWACO (proveedor de compuestos para la perforación), han diseñado un compuesto de óxido de grafeno para la obstrucción de los poros en los pozos que se encuentran en proceso de perforación. Esta obstrucción temporal de los poros es fundamental, pues permite mantener a raya el petróleo, mientras se siguen inyectando más lodos. De otro modo, el petróleo trataría de salir a la superficie antes de tiempo lo que aumentaría la presión del pozo. El problema con los lodos que se utilizaban hasta el momento es que, en ocasiones, quedan adheridos a los poros de roca de forma permanente, lo que dificulta la libre salida del petróleo y disminuye el rendimiento del pozo. Gracias a los nuevos compuestos de GO la obstrucción de los poros es un proceso completamente reversible.

Grafeno funcionalizado para tapar poros en perforaciones
petrolíferas.

Para lograr un lodo utilizable de forma práctica en las perforaciones ha sido necesario salvar varios obstáculos. En primer lugar, el grafeno no es soluble en agua, por lo que no era apto para lodos con base agua. Pero el óxido de grafeno (GO) resultó ser mucho más soluble en agua dulce, aunque con tendencia a coagularse en agua salada (que forma la mayor parte de los lodos). La solución pasó por “esferificar” escamas de GO con alcohol, en una reacción simple de un solo paso, según Tour. De este modo se logro un nuevo tipo de lodo mucho más eficaz y soluble.


El artículo completo puede consultarse en la American Chemical Society, “Applied Materials and Interfaces”. En el enlace siguiente:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am2012799

GRAFENO

Descubierto en la década de 1930, no se le bautizó con el nombre de “grafeno” hasta 1994. El estudio detallado de su estructura y sorprendentes propiedades por Andre Geim y Konstantine Novoselov les valió el premio Nobel de Física en 2010.

El grafeno no es más que una de las estructuras alotrópicas del carbono, que presenta un teselado hexagonal plano. Su aspecto recuerda vagamente el de la superficie de un panal de abejas. Algunos elementos químicos, como es el caso del carbono, tienden a presentarse con características físicas diferentes que nos lleva a observarlo como grafito, diamante, grafeno o fullereno.

El grafito de nuestros lápices realmente está compuesto por monocapas de grafeno superpuestas. Pero esas capas individuales tienen unas propiedades que las hacen únicas: gran conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza, con una resistencia 200 veces superior al acero. Muy ligero y flexible, como la fibra de carbono.

En dispositivos electrónicos, consume menos electricidad que el silicio para una misma tarea y se calienta menos. Esto los convierte en los materiales ideales para los dispositivos electrónicos con circuitos integrados. IBM ha logrado fabricar transistores que operan a 300 GHz, esto es, 100 veces más rápidos que los transistores de silicio de su ordenador. El problema estriba en que el grafeno no tiene una banda de resistividad, no es capaz de dejar de conducir la corriente, a diferencia del silicio, lo que complica mucho su implantación generalizada en los circuitos integrados. Al ser un material conductor y transparente lo hace ideal para crear pantallas flexibles y delgadas de múltiples usos. Ya se está utilizando para la creación de nuevas pantallas OLEDs. Su facilidad para conducir la corriente eléctrica sin sobrecalentarse es lo que puede convertirlo en el elemento central de una nueva generación de baterías. (ver entrada ¡Revolución en Baterías!)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN:

Para hacer posible la comercialización a gran escala, se hace imprescindible un método de obtención económico. Para ello hay que concebir procedimientos industriales que permitan fabricar láminas grandes y uniformes de grafeno monocapa y sin impurezas. El caso es que, la producción de pequeñas cantidades de grafeno resulta sorprendentemente fácil, como afirma el Nobel Andre K. Geim. De hecho, todos producimos un poco de grafeno cada vez que deslizamos la punta del lápiz sobre una superficie de papel. La mina del lápiz esta compuesta por una apilación vertical de láminas de grafeno. El procedimiento de laboratorio para obtener grafeno era similar, simplemente se raspaba la superficie del grafito, y con un microscopio se examinaban los restos en busca de las muestras idóneas o se separaban las escamas con una cinta adhesiva.

Para mejorar el procedimiento de laboratorio, se utilizan ultrasonidos para fragmentar el grafeno en capas individuales que se dispersan en un líquido. Posteriormente la suspensión se deseca sobre una superficie. El resultado es que obtenemos una película de láminas parcialmente superpuestas de cristales de grafeno. Al no darse una separación completa de las láminas con este procedimiento, se desconoce todavía si los efectos de borde de cada uno de los copos alterarán las propiedades fundamentales.

La exfoliación química podría lograr muestras de mayor tamaño. Se ha comprobado la solubilidad del grafeno en ciertos disolventes orgánicos. Una vez retirado el disolvente, la sustancia gris que se obtiene es grafeno puro. La empresa Graphene Solutions, confía poder convertir ese grafeno en láminas uniformes y monocristalinas para su comercialización.

Técnicas alternativas de exfoliación química, han demostrado que si se añada ácido a uno solución acuosa de grafito, se obtiene un óxido de grafito que puede emplearse posteriormente para obtener grafeno. Los copos de óxido suspendidos en líquido se depositan por decantación en un sustrato, donde terminan formando una película. Aumentando la temperatura y añadiendo otros compuestos, se elimina el oxígeno obteniéndose grafeno puro.

Uno de los métodos que está logrando superficies mayores de grafeno (muestras de 2 a 3 centímetros cuadrados) es el que se estudia en el Instituto de Tecnología de Masachusetts (MIT) entre otros centros. Se trata de la formación de grafeno mediante disposición química de vapor (DQV). Es un proceso que podría resultar idóneo para la fabricación de  microchips. El método DQV consiste en la creación de elementos volátiles que reaccionan y quedan depositados sobre un sustrato, formando un recubrimiento muy fino. Para lograr la volatilización se utiliza calor procedente de un horno tubular en el que se depositan sustratos con níquel que actúan a modo de catalizadores de la reacción. En un extremo del horno se hace fluir un hidrocarburo gaseoso, que al calentarse, se descompone. Los átomos de carbono terminan depositándose sobre la superficie de níquel formando las películas de grafeno. La calidad del grafeno obtenido depende directamente del sustrato de níquel. Si este es monocristalino (el más costoso) se consiguen los mejores resultados.

El equipo de investigación que logre el procedimiento idóneo para la obtención de grafeno en cantidades industriales se llevará el premio gordo. Por desgracia, ninguno de los equipos de investigación ha querido explicarnos con precisión cómo funcionan sus procedimientos, ¡serán desconfiados los tíos!