¿Qué tan lejos estamos de la era de las baterías Shimen?
Tan pronto como se conoció la noticia, hubo una ola de locura por el grafeno en Internet. Todo el mundo está discutiendo sobre la duración de la batería de los teléfonos móviles que utilizan baterías de grafeno, y las acciones de conceptos de grafeno también son muy populares. Toda la industria electrónica parece haber sido sacudida y todos esperan con ansias la llegada de la era del grafeno.
Sin embargo, unas horas más tarde, los responsables de Huawei echaron un jarro de agua fría a los consumidores e inversores entusiastas: “La noticia publicada oficialmente por Huawei Francia es errónea y el P40 no está equipado con una batería de grafeno. Aunque se ha demostrado que son noticias falsas, las baterías de grafeno no son un concepto inventado, sino la dirección de la mayoría de las empresas de energía de baterías.
Desde que se construyó el primer automóvil eléctrico práctico en 1884, la gente ha estado trabajando incansablemente para mejorar la capacidad de la batería, pero a juzgar por la línea de tiempo del árbol tecnológico, el desarrollo de la tecnología de baterías ha sido más lento que otras tecnologías. . Tras la aparición de los teléfonos inteligentes, el impacto de la duración insuficiente de la batería en el uso de los teléfonos móviles se ha vuelto cada vez más evidente. Un power bank se ha convertido en una carga para todos los usuarios de teléfonos móviles.
Para garantizar una experiencia de usuario normal, los fabricantes de baterías han estado mejorando el proceso de fabricación de las baterías de litio, pero el ritmo de mejora de los materiales de las baterías es mucho más lento que el de otros componentes. El grosor, el rendimiento y la duración de la batería de los teléfonos móviles se han convertido en una paradoja tridimensional irresoluble. Si obtienes dos, debes renunciar a uno.
Una poderosa herramienta para mejorar la densidad energética de las baterías de litio
Afortunadamente nació el grafeno. En 2004, los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester en el Reino Unido separaron con éxito el grafeno del grafito utilizando cinta adhesiva, confirmando la existencia de esta sustancia cósmica. Los dos también ganaron el Premio Nobel de Física de 2010, lo que demuestra la importancia del grafeno para el mundo.
El grafeno en sentido estricto es un cristal bidimensional de una sola capa en el que los átomos de carbono están dispuestos en una red de panal con orbitales híbridos sp2. En términos generales, una estructura de grafito dentro de 10 capas también puede denominarse grafeno. Este material es el más fino conocido en el mundo, con un espesor de una sola capa de sólo 0,34 nanómetros.
No sólo es el material más duro y con mayor conductividad térmica del mundo, sino que también es el material con menor resistencia eléctrica del mundo. A temperatura ambiente, su movilidad de electrones supera los 15.000 cm2/v·s, lo que lo convierte en un material ideal para baterías.
En la actualidad, la tecnología de baterías de grafeno tiene dos direcciones principales: una es incorporar iones de litio como ánodo y la otra es existir como agente conductor. Como material de electrodo, puede considerarse como una versión mejorada de las baterías de litio tradicionales. Las baterías de litio tradicionales siempre han utilizado grafito multicapa como estructura de mosaico. Si el grafito se divide en una estructura monocapa (grafeno), la capacidad teórica de una batería de litio con grafeno como ánodo será más del doble que la de una batería de litio tradicional (>: 744 mAh g -1).
Para la batería de un teléfono móvil, una batería como esta es casi fantástica. Imagínese, si su teléfono móvil se puede cargar una vez cada tres días, ¿qué cambios se producirán en sus funciones?
Plan de investigación para la tecnología de carga rápida de baterías
El grafeno no sólo es importante para las baterías de litio, sino que también es el material con mayor conductividad térmica en la actualidad. Si se utiliza grafeno para disipar el calor de las baterías de litio, se puede mejorar aún más la rápida velocidad de carga de las baterías de litio. En la 56.ª Conferencia de Baterías de Japón en 2015, Huawei ideó una tecnología que utiliza grafeno para disipar el calor de las baterías de litio y demostró los resultados de la tecnología de carga rápida que puede cargar una batería de 3000 mAh al 48 % en 5 minutos.
Si la disipación de calor del grafeno se combina con la tecnología de uso de grafeno como cátodo de la batería, la capacidad y la velocidad de carga de las baterías de litio aumentarán al mismo tiempo.
En 2017, Samsung anunció el desarrollo de una batería utilizando tecnología de grafeno. En la demostración de Samsung, la capacidad de la batería de este teléfono móvil que utiliza tecnología de grafeno se incrementó en un 45% y se pudo cargar completamente en 12 minutos. El potente rendimiento de la batería muestra el potencial de las baterías de grafeno en la electrónica.
El salvador de la duración de la batería de los vehículos eléctricos
No solo los fabricantes de teléfonos móviles, sino también las empresas de vehículos de nuevas energías esperan con ansias las baterías de grafeno. Incluso Tesla, que utiliza baterías ternarias de litio, no puede lograr la misma experiencia que un vehículo de combustible, pero el grafeno puede cambiar esta vergonzosa situación.
En 2014, una nueva empresa española de grafeno llamada Graphene Nano colaboró con la Universidad de Córdoba para desarrollar la primera batería de polímero de grafeno del mundo. Un vehículo eléctrico impulsado por este tipo de batería puede recorrer 1.000 kilómetros y tardar menos de 8 minutos en cargarse. Esto demuestra cuánto grafeno puede mejorar la capacidad de la batería y la velocidad de carga.
Si todos los coches eléctricos del futuro utilizan baterías de grafeno que se puedan cargar completamente en 10 minutos, el problema de la duración de la batería de los coches eléctricos ya no existirá y las estaciones de carga rápida sustituirán a las gasolineras. Si los propietarios de automóviles pueden bajarse del vehículo e ir al baño para cargarlo por completo, los vehículos eléctricos serán tan convenientes como los vehículos de combustible.
La tecnología sigue en el camino de la industrialización
En cualquier caso, el grafeno es la clave para el avance de las baterías de litio. Pero el grafeno, como material nuevo, es todavía demasiado joven. Cada vez que los seres humanos descubren un nuevo material, siempre siguen el proceso de investigación principal: producción en laboratorio, producción en masa y productos.
La ciencia de los materiales se diferencia de otras disciplinas en que existe un largo ciclo experimental desde el principio hasta el producto. A juzgar por la fabricación y aplicación actuales del grafeno, éste aún se encuentra en sus primeras etapas. Aunque el mercado mundial de grafeno alcanzó los 273 millones de dólares en 2018 y la tasa de crecimiento anual promedio ha mantenido una alta tasa de crecimiento del 40%, la mayoría de las empresas que producen grafeno no dominan la tecnología para la producción en masa de grafeno y producen grafito de alta pureza. El precio del material de vinilo es de más de 1.000 yuanes por gramo.
Materiales tan caros sólo pueden aparecer, en el mejor de los casos, en investigaciones de laboratorio. Si se van a comercializar, sin importar si la tecnología y la producción son suficientes o no, nadie estará dispuesto a pagar sólo el precio. El grafeno, una tecnología que aún se encuentra en las primeras etapas de industrialización, podría no aparecer en productos electrónicos hasta dentro de tres a cinco años.
Pocas personas creen a quienes claman que el grafeno cambiará el mundo de forma inmediata.
Uno es la tecnología actual y el otro es el coste de investigación y desarrollo, lo que determina que las baterías de grafeno sean difíciles de utilizar con madurez.
1 Las características del grafeno son incompatibles con muchos requisitos del sistema industrial de baterías de iones de litio existente. Esto ha sido un problema en los últimos años.
Las características intrínsecas de los materiales de grafeno no han provocado cambios fundamentales en las propiedades electroquímicas, innovación en los mecanismos de almacenamiento, etc. Es decir, según los principios de la electroquímica, no es disruptivo. Si se dice que el grafeno puede subvertir el mundo de la mecánica newtoniana como la mecánica cuántica, este individuo sólo puede expresar algunas dudas.
3 No es que no haya que desarrollar nuevas tecnologías para las baterías, como las de litio-azufre, totalmente sólidas, de sodio, etc. Conforme vaya pasando el tiempo, algunos llegarán antes a nuestras vidas. Desafortunadamente, desde el punto de vista mecánico, el grafeno no es un componente central de las baterías. En realidad no, sólo un papel secundario. Usted dijo que dentro de unas décadas recomendaría centrarse primero en el litio y el azufre totalmente sólidos. Por lo tanto, no me niego a avanzar ni a fantasear, pero es obvio que las tonterías y las exageraciones no favorecen en absoluto el desarrollo saludable de una industria. Creo que las personas que son pragmáticas con el grafeno también tienen un profundo conocimiento de esto.
Quienes se han dedicado a la ingeniería deben preocuparse por la economía y la puntualidad. Si esta tecnología puede tener un futuro brillante dentro de veinte o treinta años, pero ahora hay muchos problemas que superar, entonces hay un problema. ¿Es apropiado empezar a aumentar la capacidad de producción ahora y desperdiciar el dinero de la gente en algo que tendrá un futuro brillante en unas pocas décadas? La premisa para esto es que debe haber un futuro en unas pocas décadas. ¿Qué pasa si no hay futuro? Por supuesto, esto se refiere a las baterías, no a otras direcciones del grafeno.
Dentro de cinco años
Para siempre [cúbrete la cara]