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1 Graphene Kick-off meeting Aplicaciones en Energía D. Busquets-Mataix, Universidad Politécnica de Valencia, Materials Technology Institute, Valencia, Spain.

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Graphene Kick-off meeting

Aplicaciones en Energía

D. Busquets-Mataix, Universidad Politécnica de Valencia, Materials Technology Institute,

Valencia, Spain.

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Grafeno: Aplicaciones en energía

Resumen

Introducción

¿Por qué el grafeno en aplicaciones de energía?

Aplicaciones:

1. Almacenamiento:

1.1 Supercondensadores

2.1 Baterias

2. Otras:

2.1 Celdas solares

2.2 Celdas de combustible

clasicas/bio/enzimaticas

Conclusiones

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Grafeno: Aplicaciones en energía

Introduction

¿Por qué el grafeno?

Características generales:

- elevada conductividad eléctrica (64 mS/cm)

- elevadísima área específica (2630 m2/g)

- buenas propiedades electro-catalíticas

- flexibilidad (comparada con el grafito)

- elevadas posibilidades de funcionalización

- bajo coste *

Utilización como:

Material alternativo en electrodos de aplicaciones de almacenamiento y

conversión de energía.

* A partir de la síntesis química

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Aplicaciones

Almacenamiento de energía

Zhang et al. Int. J. of Hydrogen Energy 2009

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Grafeno: Aplicaciones en energía

Aplicaciones

Supercondensadores

Zhang et al. Int. J. of Hydrogen Energy 2009

Características generales:

- elevada potencia (carga/descarga en segundos)

- elevada vida útil (>100000 ciclos))

- buenas retención de la carga

A mejorar: densidad de energía

Energy stored in supercapacitor is through the ion adsorption at the electrode interface which make electrical double layer (electrical double layer capacitors, EDLC) or due to electron transfer between the electrolyte and the electrode through fast Faradic redox reactions (psuedocapacitors)

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Grafeno: Aplicaciones en energía

Aplicaciones

Supercondensadores

Du et al. Electrochimica Acta (2010)

Liu et al. Nanolett. (2010)

Diferentes morfologías obtenidas por síntesis química, con el fin de maximizar la

interacción grafeno-electrolito

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Grafeno: Aplicaciones en energía

Aplicaciones

Supercondensadores

Yan et al Carbon 48 2010

La tendencia actual con el fin de obtener mayor y mejor interacción grafeno-electrolito se basa en la obtención de los llamados híbridos, con los cuales se obtiene una mayor capacitancia con el intercalado de otras substancias que hacen de separadores adecuados de las láminas de grafeno.

A main drawback of using graphene and RGO is the agglomeration and restacking due to Van der Waals attraction between the neighboring sheets. The aggregation reduces the effective surface area resulting loss of capacitance. Therefore, a few researchers have made effort to keep graphene sheets separated by addition of metal oxide nanoparticles or other compounds

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Aplicaciones

Supercondensadores

Adaptado de Brownson et al. J.Power Sources 2011

grafeno

híbrido

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Aplicaciones

Baterías de Litio

Bhardwaj et al. J. Am. Chem. Soc. 132 (2010)

Características generales:

- elevada densidad de energía

- suministro de energía durante

largos periodos

A mejorar:

- mayor potencia

- vida útil más larga

Mejorar la inserción y difusión de los

iones Li.

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Aplicaciones

Baterías de Litio

Zhou et al. Chem. Mater. 22 (2010)

Al igual que con los super-condensadores, la tendencia actual es la de intercalar (híbridos) nanopartículas de óxidos utilizadas actualmente en este tipo de baterías con un doble fin: -optimizar la separación entre láminas de grafeno -proporcionar un soporte para las nanopartículas.

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Singh V et al. Prog Mater Sci (2011)

grafeno

híbrido

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Celdas solares

Yen et al Carbon 2011

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Xin et al. J. Power Sources (2010)

Celdas de combustible

Intercalado de nanopartículas de Pt

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Celdas de combustible

Brownson et al. J.Power Sources 2011

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Conclusiones

El grafeno va a ser uno de los elementos fundamentales en el desarrollo de

dispositivos de almacenamiento de energía, como supercondensadores y baterías

de litio, debido a sus extraordinarias propiedades como elevada conductividad y

área específica.

La tendencia actual de las investigaciones van hacia el desarrollo de materiales

híbridos mediante el intercalado entre las láminas de grafeno de diferentes

substancias/nanopartículas para crear mejorar la interacción electrolito/grafeno

(supercondensadores, baterías de litio) o utilizando el grafeno como soporte de las

nanopartículas funcionales (baterías de litio, celdas de combustible).

No obstante, todavía hay mucho trabajo por hacer en relación a los métodos de

obtención del grafeno. Efectivamente, la gran variabilidad de propiedades

encontradas por los diversos autores está muy relacionada con la diversidad de los

materiales de partida y las diferentes etapas del proceso de fabricación, que dan

lugar a muy diversas morfologías y grado de funcionalización del grafeno y por lo

tanto de las propiedades de los dispositivos realizados con éste.

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Graphene Kick-off meeting

Aplicaciones en Energía

D. Busquets-Mataix, Universidad Politécnica de Valencia, Materials Technology Institute,

Valencia, Spain.