Baterías de plomo y litio con grafeno para vehículos eléctricos

batteries graphene

Escrito por Dr. Oluwaseun John Dada

El Dr. Oluwaseun John Dada ha trabajado durante más de 8 años en la síntesis y adaptación del grafeno y otros nanocarbonos en publicaciones del fenómeno.

Baterías de litio y plomo con un alto rendimiento que usan nanocarbonos como el grafeno en vehículos eléctricos

Debido a la demanda tecnológica de los vehículos eléctricos híbridos, los sistemas renovables y los sistemas de almacenamiento eléctrico, junto con los procesos industriales existentes, el reciclaje y la energía a bajo coste, la industria está muy interesada y está invirtiendo en I+D para las baterías de litio y plomo. 

Se han llevado a cabo varias estrategias para mejorar la capacidad y ciclo de vida de las baterías de los vehículos eléctricos pero solo unos pocos cumple con los requisitos de diseño rutinarios de la industria de la batería actual. Se han conseguido rendimientos increíbles utilizando grafeno adaptado por Signature EcoSystems Technologies.

Por ejemplo, óxido de grafeno (GO) y grafeno reducido (CCG) (Figura 1) han mejorado más de un 41% el electrodo positivo de una batería de litio. Además, el novedoso grafeno cristalino 2D aportó el incremento de capacidad más alto en un ánodo de una batería de litio: 300%, en prueba de concepto, escalable y con un diseño estándar, fácilmente comercializable. 

                                                                    (a)                                                              (b)         

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Figura. 1. (a) Esquema simple de una batería de plomo y ácido que muestra la masa reactiva positiva y aditivos de grafeno entrecruzados en el interior de la corteza formada de PbO2.PbO.PbSO4 crust, (b) diseño de una celda de ensayo con dos electrodos negativos encapsulando un electrodo positivo para crear un límite y (c) un perfil de carga y descarga. 

Las excelentes y singulares características estructurales, superficiales y eléctronicas del grafeno y sus variantes poseen un gran potencial. El óxido de grafeno (GO) es un conductor de electricidad débil debido a la presencia de carbono hibridado sp3, que contiene funcionalidades del oxígeno situadas en el borde y en la zona basal que impiden la movilidad de los electrones. La conducción de electrones se produce debido a la naturaleza aniónica de la superficie funcional del GO. Sin embargo, sus propiedades conductoras se restablecen mejor cuando se reduce el GO a la estructura química original del grafeno. 

La reducción del grafeno conlleva varios defectos estructuales y estados del oxígeno residuales. El grafeno reducido (CCG) contiene varias bandas de carbonos sp3, carbonos sp2, que incluyen pares de electrones solitarios y estados del agua atrapados en la cola de la banda π.  Los dominios sp2 grandes que son interrumpidos mínimamente por enlaces sp3 son esenciales para obtener las excepcionales propiedades eléctricas del GO reducido.

Tanto el GO como el CCG han resultado en aumentos increíbles de ciclo de vida y capacidad de descarga en baterías de plomo y ácido (https://doi.org/10.1016/j.est.2019.04.004), como se muestra en la Figura 2. Entretanto, el inmaculado grafeno cristalino causaa un aumento del 300% en baterías de litio (Dada, Oluwaseun John, High-Performance Lithium Battery Anodes from Non-Water based Graphene, April 8, 2019. Available at SSRN: https://ssrn.com/abstract=3368433.

                                                          (a)                                                    

(b)

    

                   (c)      

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Figura. 2. Comparativa del rendimiento electroquímico del los materiales activos optimizados con grafeno con tests a 0.2C: evolución de la capacidad en el (a) 5º y (b) 25º ciclo, (c) comparativa del rendimiento cíclico, el material activo mejorado con GO (GO-PAM) tiene un rendimiento cíclico más alto y (d) el efecto del contenido del GO con un rendimiento óptimo del GO-PAM con una fracción de masa de GO del 1.5%.

Estudios anteriores sobre la masa activa negativa muestran un incremento del ciclo de vida al añadir nanotubos de carbono y grafeno funcionalizados. Se atribuye esta mejora a las reacciones redox, a una mejor adhesión de los nanotubos de carbono a las sales de plomo y a una mejor acceso de la masa activa a los procesos de transporte de electrones durante el ciclo. Mientras que los nanotubos de carbono son costosos, el grafeno funcionalizado posee un peor rendimiento cíclico debido a las propiedades de barrera del grafeno, ya que causa una baja desorción de ion sulfato a través de los agregados PbO2.PbSO4.

En este punto, los cambios in-situ del la estructura del grafeno y los estados del oxígeno los apoyan, así como una superficie más adsortiva, una mejor reacción interfacial grafeno/plomo y una mejor utilización de las fases del dióxido de plomo. Los mecanismos fisioquímicos multiescala mejoran la capacidad y el ciclo de vida de la siguiente manera: la mejora de la permeabilización de electrolitos e iones se produce como resultado de un aumento de la porosidad pre formación y a una reactividad interfacial más alta en la zona de gel, lo que incrementa la reversibilidad del material activo. Nuestro modelo de transmisión de iones revela la reacción redox optimizada en la zona electro activa de los materiales activos mejorados con grafeno. Este trabajo muestra el mayor aumento de capacidad de un electrodo positivo en una batería de plomo y ácido hasta la fecha. Esto se muestra en la Figura 3.

(a)

(b)

Figura 3. (a) Mecanismo de transmisión de iones y lugares activos de nucleación durante la interación de las sales de plomo y el grafeno, y (b) un resumen de la interacción de los enlaces de masa activa PbO2/Grafeno. La interacción covalente-no covalente entre los aditivos del grafeno y el material activo mejora la cohesión y enlace de los electrodos, ya que los aditivos del grafeno participan en reacciones que incrementan el uso de la masa activa. 

Para las baterías de litio mejoradas con grafeno, la litiación y de litiación se incrementan debido a la ramificación de los cúmulos de grafeno impoluto y al predominio de grupos limítrofes que el Li+ cuando se transmite a través del separador. Esto aumenta de manera significativa el uso de cúmulos de grafeno en el interior del electrodo. La pureza química del grafeno impoluto mejora la conductividad y las características planas y bajos defectos aumentan la densidad de placas de batería de litio de ánodo de grafeno. El aumento en más de un 300% de la capacidad del ánodo se corresponde con el incremento en casi un 100% de capacidad de descarga de la batería NMC//Gr. Los informes muestran que las baterías comerciales de litio tienen alrededor de 3.5 veces más densidad energética y un ciclo de vida mucho más largo que las batería de plomo (AGM), pero el coste por amp/h es 3 veces mayor. La Figura 4 muestra una prueba de concepto a escala:

Figura 4. Prueba de concepto a escala de baterías de litio de alto rendimiento a partir de nanocarbonos y grafeno adaptados. 

 

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