La realidad climática actual requiere de una transición energética hacia fuentes renovables más eficientes que puedan satisfacer la creciente demanda de energía de una forma más sostenible. En España se está trabajando en la definición del proyecto de Ley de Cambio Climático y Transición Energética, que incluye medidas para fomentar el empleo de energías renovables, la movilidad eléctrica y el desarrollo de dispositivos energéticos más eficientes para la reducción de las emisiones. Se trata de un impulso para alcanzar la neutralidad climática en el año 2050.
En este contexto, el centro tecnológico Valenciano ITE, perteneciente a REDIT y con el apoyo del IVACE, está trabajando en el desarrollo de sistemas de generación de energía económicos e inteligentes que sean capaces de responder a estímulos externos -como puede ser la presión, la fricción o al flujo de un líquido- y sistemas de almacenamiento de energía con mayores capacidades y funcionalidades hechas a medida -deformables, capaces de responder a un estímulo, sensores, etc.- es de vital importancia para satisfacer las necesidades energéticas actuales. Para ello es necesario el empleo de materiales novedosos con propiedades mejoradas que puedan resolver estos retos. El grafeno se postula como un candidato a participar en esta transición.
El grafeno, llamado a convertirse en el material del siglo XXI gracias a sus extraordinarias propiedades tanto a nivel químico como mecánico, es un material novedoso consistente en una lámina de átomos de carbono de espesor atómico con una disposición de tipo panal de abeja, considerándose el límite físico para un material en 2D. Es un material 100 veces más resistente que el acero, 1 millón de veces más fino que el cabello humano, es flexible y transparente (una lámina de grafeno deja pasar el 97,7 % de la luz blanca). Además, es un buen conductor de la electricidad y del calor
Medioambiente, IoT y salud: algunas de las utilidades de los sensores de grafeno
La elevada área superficial y el espesor atómico, donde todos los átomos de carbono que forman la lámina están expuestos al ambiente, hacen que el grafeno sea un buen material para el desarrollo de sensores y capaz de responder ante estímulos externos como pueden ser las variaciones de temperatura o presión, la presencia de un gas o a la fricción de un líquido. Los sensores de grafeno descritos poseen elevadas sensibilidades presentando cambios en la conductividad al estar en contacto con distintos compuestos.
Se han desarrollado sensores basados en grafeno para la detección de gases tóxicos. Por ejemplo, el grafeno es un buen sensor de gas NO2, gas muy tóxico, que está causando muchos problemas de contaminación en las grandes ciudades debido a las emisiones de los coches. Sensores de grafeno pueden ser implementados en el desarrollo del Internet of Things (IoT) o la Industria 4.0, proporcionando nuevas funcionalidades a los dispositivos de monitoreo capaces de mandar señales de forma constante y poder monitorizar las concentraciones de gases tóxicos de interés en tiempo real.
Su tamaño nanométrico permite la miniaturización de los dispositivos electrónicos y, gracias a su multifuncionalidad, se pueden desarrollar dispositivos muy pequeños que contengan varios sensores para la monitorización de diferentes parámetros.
Pero sus aplicaciones no se acaban aquí, este material se ha empleado también en la fabricación de biosensores, por ejemplo, para la detección de peróxido de hidrogeno, que es un producto importante en procesos biológicos y enzimáticos, o para la detección de biomoléculas como la dopamina, un neurotransmisor importante en el funcionamiento del sistema nervioso central y cardiovascular.
Esto ha provocado que, en el campo de la biomedicina y la monitorización de la salud humana, los sensores de presión basados en grafeno hayan despertado un gran interés gracias a la elevada sensibilidad y la posibilidad de ser deformados, lo que facilita el desarrollo de dispositivos muy pequeños que pueden ser implementados e integrados en pequeños dispositivos para la detección del pulso humano o la frecuencia cardiaca. Estos avances permitirán el desarrollo de la nueva generación de dispositivos electrónicos portables que mejorarán, sin duda alguna, la salud y la calidad de vida de la población.
Baterías de grafeno: una nueva era en el almacenamiento de energía
Las baterías, también conocidas como acumuladores o pilas, son sistemas electroquímicos que almacenan energía química para ser liberada después en forma de energía eléctrica. La densidad de energía de las baterías sigue siendo un aspecto clave a mejorar pese a los avances realizados en los últimos años.
En el caso de los vehículos eléctricos, la cantidad de energía que es capaz de almacenar una batería (medida en KWh), está relacionada de forma directa con la autonomía del vehículo. Se requiere de una mejora del almacenamiento de energía de las baterías para poder impulsar la venta de vehículos eléctricos, para poder realizar mayor número de kilómetros en una sola carga, así como mejoras en el tiempo de carga.
En cuanto a los dispositivos electrónicos portátiles (smartphones, tabletas, relojes inteligentes, etc.), en creciente desarrollo, se suma la necesidad del diseño de baterías cada vez más pequeñas y ligeras debido a la miniaturización de los dispositivos, manteniendo la densidad de energía, una larga autonomía y prolongada vida útil. Incluso, la evolución de la nueva generación de dispositivos electrónicos “wearable” (para ser implantados en la ropa o que se amolden a la piel) requiere de nuevas funcionalidades como ser flexibles.
Como vemos, las necesidades son amplísimas y, para poder desarrollarlas, se necesita, por un lado, materiales que mejoren las capacidades de las baterías, para ser posible fabricarlas con una menor cantidad de material y, por otro, que sean más finas y flexibles para adaptarse a cualquier entorno. El desarrollo de baterías con una mayor capacidad de almacenamiento de energía permitirá fabricar dispositivos más finos, y, por tanto, más ligeros manteniendo las prestaciones.
Se ha demostrado que el grafeno puede aportar mejoras para satisfacer algunas de las necesidades de la sociedad actual en términos de almacenamiento de energía. Se han descrito baterías basadas en grafeno capaces de mantener su rendimiento incluso estando dobladas.
El grafeno es un material que por sus características (similares a las del grafito empleado como material activo en los ánodos) puede intercalar los iones litio entre sus láminas en el proceso de carga de la batería. Sin embargo, a diferencia del grafito, donde las láminas están apiladas, en el caso del grafeno, la separación entre láminas hace que la capacidad de intercalación de iones litio durante el proceso de carga aumente, y por tanto se produce una mejora en la capacidad de carga. Los grafenos con elevado tamaño de lámina proporcionarán una mayor superficie de intercalación de iones litio.
Además, al ser un material muy conductor, se mejora la circulación de la corriente a través de los electrodos y eso se traduce en una mejora de las prestaciones de las baterías. La elevada conductividad térmica del grafeno puede ayudar a disipar mejor el calor de los dispositivos mejorando su seguridad.
Por otro lado, el aumento de las energías renovables hace que sea necesario almacenar dicha energía. Las baterías de grafeno con mayores capacidades de carga permiten almacenar mayor cantidad de esta energía para ser empleada en otro momento donde sea necesaria.
Conociendo mejor a este super material
El grafeno es un material formado exclusivamente por átomos de carbono y posee, por tanto, exactamente la misma composición que el grafito. El grafito es un material abundante en la corteza terrestre, y está presente en la vida diaria, por ejemplo, en las minas de los lápices. Las características en cuanto a estructura entre el grafeno y el grafito son muy similares, sin embargo, las propiedades de cada uno de ellos son muy dispares. El grafito está formado por el apilamiento de millones de láminas de grafeno. En un símil cotidiano, el grafito corresponde a un paquete de folios, y el grafeno sería únicamente uno de esos folios aislado.
El aislamiento de una lámina de grafeno resultó ser una tarea difícil, que no fue posible hasta el año 2004, cuando los profesores Geim y Novoselov, de la Universidad de Manchester, fueron capaces de aislarlo y estudiar sus propiedades. En ese momento se descubrieron las extraordinarias propiedades que presentaba este material a diferencia de los que sucede con el grafito, siendo a posteriori galardonados con el premio Novel de Física en el año 2010. A partir de ese momento, se produce un gran interés en el estudio y empleo de sus propiedades para distintas aplicaciones en ámbitos muy distintos (energía, electrónica flexible, medio ambiente, materiales, etc.).
Precisamente en el sector de la energía, se ha demostrado que el grafeno puede aportar mejoras en dispositivos tanto de generación como de almacenamiento de energía. El Instituto Tecnológico de la Energía, a través del proyecto eGRAF, está trabajando en una doble línea de investigación en el desarrollo de materiales basados en grafeno que posean características estructurales adecuadas para ser aplicados en sensores y sistemas de almacenamiento de energía.
A la vista de los avances llevados a cabo en la actualidad en el sector de la energía empleando grafeno, todos los expertos apuntan a que este material se postula como uno de los principales actores, junto con otros materiales complementarios, en la transformación de los dispositivos energéticos.
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