A Graphene Flagship está impulsionando a inovação no setor de energia ao ajudar a desenvolver soluções revolucionárias de armazenamento de energia e eletrônicos usando grafeno.

O grafeno foi isolado pela primeira vez em 2004. Nos últimos 20 anos, o grafeno encontrou centenas de aplicações inovadoras, desde sensores e eletrônicos até armazenamento e coleta de energia.

O que é grafeno?

O grafeno é o material mais fino do mundo – com um átomo de espessura, é um milhão de vezes mais fino que um fio de cabelo humano. No entanto, é mais forte que o aço e o diamante. Sua rigidez e durabilidade excepcionais o tornam ideal para materiais compostos. O grafeno também é muito flexível, o que cria oportunidades para aplicações em dispositivos vestíveis.

O grafeno também é um ótimo condutor de eletricidade e calor. Alguns produtores usaram esses dois princípios para fazer tintas condutoras e tintas para circuitos eletrônicos e géis que dissipam calor. As propriedades condutoras do grafeno podem até mesmo fazer baterias mais duradouras.

E, claro, o grafeno é leve. As indústrias automotiva e de aviação estão usando o grafeno para reduzir o peso de carros e aviões, o que diminuirá o consumo de combustível e as emissões de carbono.

O carro-chefe do grafeno

Em 2013, a União Europeia financiou o Graphene Flagship – uma nova forma de pesquisa conjunta e coordenada em uma escala sem precedentes, formando a maior iniciativa de pesquisa da Europa, encarregada de levar o grafeno dos laboratórios acadêmicos para aplicações industriais. .

Agora composto por 13 projetos de pesquisa e inovação trabalhando para integrar grafeno e outros materiais 2D em uma variedade de aplicações, o Graphene Flagship está ajudando a revolucionar áreas da biomedicina e materiais compostos até a eletrônica e energia. Continue lendo para saber como dois projetos Graphene Flagship estão trabalhando em direção a soluções de energia revolucionárias.

Revolucionando o armazenamento de energia do grafeno

A coleta e o armazenamento de energia estão no centro da transição global para sistemas de energia sustentáveis. Ao combinar coleta e conversão de energia de forma eficiente, podemos desbloquear tecnologias autônomas e autoalimentadas, como eletrônicos vestíveis e dispositivos de saúde personalizados – principais facilitadores da tecnologia sem bateria.

Os nanomateriais de carbono, incluindo o grafeno, revolucionaram o armazenamento de energia, impulsionando avanços em baterias e supercapacitores (SCs). Essas inovações são vitais para a adoção sustentável de energia renovável, abordando desafios como intermitência. As baterias de íons de lítio (LIBs), em particular, tiveram um crescimento notável, otimizadas para fornecer alta densidade de energia e saída de potência. No entanto, como as demandas de energia continuam a aumentar, avanços significativos ainda são necessários para garantir que os sistemas de coleta e armazenamento de energia possam atender totalmente às nossas necessidades futuras.

Ao mesmo tempo, desenvolver materiais mais eficientes para dispositivos de armazenamento de energia tornou-se imperativo para atender às demandas de mercados emergentes. Materiais bidimensionais (2D), como grafeno e materiais relacionados ao grafeno (GRMs), ganharam atenção significativa por seu potencial de revolucionar o armazenamento de energia. Esses materiais estão sendo rigorosamente estudados na Europa e globalmente. No entanto, apesar do progresso substancial, a síntese de grafeno continua a enfrentar desafios críticos. Problemas como qualidade inconsistente, processos de produção complexos, alto impacto ambiental, custos elevados, desempenho limitado em aplicações práticas e escalabilidade para produção de alta qualidade continuam sendo obstáculos significativos.

O projeto GRAPHERGIA do Graphene Flagship aspira apresentar novas ideias e avanços tecnológicos para marcar um passo significativo em direção a um futuro energético mais sustentável. O ponto central do projeto é o desenvolvimento de métodos de fabricação de “eletrodos secos” ecologicamente corretos para dispositivos de armazenamento de energia, explorando o potencial dos lasers para síntese e funcionalização de grafeno. Ao avançar processos de produção baseados em laser, em escala piloto e industrialmente relevantes para eletrodos feitos de materiais 2D, especialmente grafeno e GRMs, o GRAPHERGIA tem como alvo duas aplicações de energia transformadoras:

1. Roupas inteligentes autoalimentadas que podem coletar energia biomecânica por meio do efeito triboelétrico, convertê-la em energia elétrica e armazená-la usando SCs microflexíveis incorporados em tecidos.
2. Ânodos de alto desempenho para células de bateria de íons de lítio (LIB) projetados para aplicações espaciais.

A rápida expansão desses mercados ressalta a necessidade de avanços em materiais, processos e integração de sistemas. As inovações do projeto visam fornecer soluções escaláveis ​​e de longo prazo para coleta e armazenamento de energia, abordando as demandas atuais e futuras.

A visão da GRAPHERGIA além do estado da arte

Ao focar em avanços revolucionários em materiais, processos e integração de sistemas, a GRAPHERGIA visa fornecer soluções sustentáveis ​​e de longo prazo que atendam à crescente demanda do mercado por aplicações avançadas de energia.

O projeto emprega tecnologias de laser industrialmente relevantes para sintetizar materiais de alta qualidade à base de grafeno para duas grandes áreas de aplicação: nanogeradores triboelétricos (TENGs) para têxteis autocarregáveis ​​e autônomos em termos de energia; e nanohíbridos de grafeno/silício como ânodos para células de bateria de íons de lítio (LIB).

Desafios em têxteis autocarregáveis

As abordagens atuais para têxteis condutores, que servem como base para roupas inteligentes, geralmente dependem de tintas feitas de nanopartículas metálicas ou plaquetas de grafeno. No entanto, essas abordagens enfrentam vários desafios, incluindo o uso de solventes não ecológicos e processos de fabricação complexos. A GRAPHERGIA aborda esses desafios por meio de duas abordagens inovadoras:

1. Deposição de grafeno assistida por laser: O projeto está desenvolvendo um processo sustentável, assistido por laser, para depositar eletrodos de grafeno de alta qualidade diretamente em superfícies têxteis. Este processo patenteado é uma inovação colaborativa da Foundation for Research and Technology – Hellas (FORTH) e da Adamant Composites.
2. Sistema revolucionário de gerenciamento de energia: a GRAPHERGIA está criando um novo sistema de gerenciamento de energia capaz de converter eficientemente os pulsos de voltagem discretos gerados pelo movimento do corpo em TENGs em uma corrente CC estável. Este sistema pode alimentar dispositivos vestíveis ou carregar SCs microflexíveis. Esta inovação, patenteada pela Universidade Gustave Eiffel, aumentará significativamente a praticidade dos têxteis autocarregáveis.

Desafios em ânodos para baterias de íons de lítio

O grafite natural foi classificado como matéria-prima crítica (CRM) pela União Europeia, principalmente devido à escassez de locais de mineração natural na Europa. Consequentemente, substituir uma parte do grafite natural em ânodos está se tornando cada vez mais importante para atender à crescente demanda. Além disso, enquanto ânodos de grafeno/silício estão sendo explorados para aumentar a densidade de energia de LIBs, um grande desafio permanece: reduzir o tamanho do domínio do material de armazenamento de carga ativo, como nanopartículas de Si.

Alinhado com o Plano Estratégico Europeu de Tecnologia Energética, o GRAPHERGIA está avançando tecnologias de baixo carbono para enfrentar esses desafios. O projeto visa introduzir um ‘processo seco’ patenteado e assistido por laser para desenvolver eletrodos baseados em grafeno a partir de matérias-primas de baixo custo, incluindo biomassa; e produzir ânodos de grafeno/silício pela decomposição de materiais de carboneto.

Explorando a expertise combinada e a propriedade intelectual de seus parceiros, a GRAPHERGIA está remodelando o futuro das roupas inteligentes autônomas em energia e dos ânodos LIB avançados. Com eletrodos de ponta baseados em grafeno, o projeto está definindo novos padrões de sustentabilidade, desempenho e escalabilidade em tecnologias de armazenamento e coleta de energia.

Casos de uso do GRAPHERGIA

A GRAPHERGIA desenvolverá vários demonstradores para mostrar suas tecnologias inovadoras:

1. Tecidos autocarregáveis: este demonstrador se concentrará em dois estudos de caso: roupas inteligentes projetadas para dar suporte a dispositivos vestíveis no corpo e tecidos inteligentes para estofados, integrando recursos de coleta e armazenamento de energia.
2. Ânodos LIB avançados de grafeno/Si para aplicações espaciais: Este demonstrador envolve o design, a fabricação e o teste de um protótipo de módulo LIB baseado em grafeno, adaptado para aplicações espaciais. Ele visa validar a eficácia da tecnologia de fabricação assistida por laser no Nível de Prontidão Tecnológica (TRL) 5.

Contribuindo para um futuro sustentável

GRAPHERGIA integra materiais 2D com técnicas de fabricação escaláveis ​​e econômicas para fornecer soluções economicamente viáveis ​​e ambientalmente sustentáveis. Usando precursores de baixo custo, como produtos derivados de biomassa, polímeros e outras fontes de carbono, o projeto emprega tecnologias de laser industrialmente relevantes, capazes de processamento de alta velocidade e grande área em linhas roll-to-roll (R2R) sob condições ambientais.

Ao reduzir significativamente as emissões de carbono, o desperdício e a dependência de CRMs, a GRAPHERGIA aborda as mudanças climáticas e promove a sustentabilidade ecológica. Os processos sem desperdício e em conformidade com o REACH do projeto eliminam substâncias perigosas, alinhando-se com as metas de proteção ambiental, ao mesmo tempo em que aliviam os desafios de segurança e regulatórios.

Tecnologicamente, a deposição direta de grafeno assistida por laser da GRAPHERGIA em vários substratos simplifica a fabricação de eletrodos e a integração de dispositivos. Esses métodos inerentemente escaláveis ​​têm aplicações além de e-têxteis e células LIB, permitindo a produção em larga escala de filmes e revestimentos baseados em grafeno.

Em última análise, a GRAPHERGIA promove a inovação alinhada aos padrões de sustentabilidade da UE e aumenta a resiliência industrial, garantindo que a Europa mantenha um papel de liderança na produção e aplicação de materiais 2D.

Promovendo soluções de energia sustentável por meio de supercapacitores de última geração

Supercapacitores, às vezes chamados de capacitores eletroquímicos ou ultracapacitores, tornaram-se partes essenciais do sistema de armazenamento de energia eletroquímica devido à sua notável alta densidade de potência, taxas rápidas de carga e descarga, ciclo de vida estendido (>100.000 ciclos) e necessidades mínimas de manutenção. Essas características tornam os supercapacitores a escolha perfeita para aplicações que exigem fornecimento imediato de energia, como eletrônicos vestíveis, sistemas de backup de energia e frenagem regenerativa em carros elétricos. No entanto, sua densidade de energia muito baixa – normalmente menor que 10 Wh/kg – é um dos principais obstáculos que impedem sua implementação mais ampla. Em contraste, a maioria dos supercapacitores disponíveis comercialmente são amplamente superados por baterias de íons de lítio comumente usadas, que podem atingir densidades de energia de 100–120 Wh/kg.

O objetivo do projeto ARMS (Atomic layer-coated gRaphene electrode-based Micro-flexible and Structural supercapacitors) da Graphene Flagship é fechar essa lacuna significativa de densidade de energia, preservando a alta densidade de potência, a vida útil estendida e a compatibilidade ambiental que são intrínsecas aos supercapacitores. O objetivo do ARMS é fabricar supercapacitores com densidades de energia de mais de 50 Wh/kg utilizando ciência de materiais de ponta, nanotecnologia e processos de produção escaláveis. Com esse nível de desempenho, os supercapacitores competirão diretamente com as baterias sem sacrificar seu impacto ambiental, ciclo de vida ou capacidades de energia.

Tecnologia inovadora: Grafeno e materiais de base biológica

A incorporação de materiais de carbono de base biológica ricos em grafeno e fibras de carbono decoradas com grafeno como componentes de eletrodo é uma parte fundamental da inovação do projeto ARMS. Devido à sua notável área de superfície, resistência mecânica e condutividade elétrica, o grafeno é um material perfeito para melhorar o desempenho do supercapacitor. Para garantir que os materiais sejam sustentáveis ​​e de alto desempenho, a pesquisa também investiga o uso de carvão ativado feito de fontes de biomassa renováveis.

Para otimizar ainda mais o desempenho do eletrodo, a ARMS emprega a tecnologia Atomic Layer Deposition (ALD) para revestir eletrodos baseados em grafeno com camadas ultrafinas e conformadas de óxidos metálicos. Esse processo aprimora as propriedades eletroquímicas dos eletrodos, melhorando sua capacitância e estabilidade em ciclos prolongados de carga-descarga. A técnica ALD não é apenas escalável e econômica, mas também permite controle preciso sobre a espessura e composição do revestimento, levando a capacidades aprimoradas de armazenamento de energia.

Enfrentando desafios de última geração

Muitos esforços para melhorar a densidade de energia do supercapacitor enfrentam compensações como potência reduzida, custos mais altos ou vidas úteis mais curtas. O ARMS aborda isso focando em:

1. Maior densidade de energia: eletrodos aprimorados com grafeno e revestimentos ALD aumentam a densidade de energia para mais de 50 Wh/kg, diminuindo a diferença em relação às baterias.
2. Densidade de potência mantida: o ARMS preserva a capacidade de carga e descarga rápida, essencial para o fornecimento rápido de energia.
3. Materiais ecológicos: o uso de materiais de origem biológica e de grafeno apoia a sustentabilidade e minimiza o impacto ambiental.
4. Escalabilidade e custo-benefício: ALD e materiais de base biológica permitem uma fabricação escalável e econômica, apoiando as indústrias europeias.

Contribuição para um futuro sustentável

A ARMS promove soluções de energia sustentável por meio de:

• Redução do impacto ambiental: materiais ecológicos e carbono derivado de biomassa apoiam o sequestro de carbono e uma economia circular.
• Aumento da eficiência: maior densidade de energia reduz a frequência de recarga, beneficiando o armazenamento renovável e os eletrônicos.
• Apoiando a inovação europeia: a ARMS promove a indústria local, a criação de empregos e a liderança europeia em tecnologia energética.
• Permitindo aplicações versáteis: supercapacitores microflexíveis e estruturais permitem inovações em dispositivos vestíveis, aeroespaciais, automotivos e portáteis.

Aplicações do supercapacitor ARMS

O projeto ARMS demonstra a versatilidade de seus supercapacitores avançados por meio de duas aplicações principais: sensores sem fio e drones.

1. Caso de uso de sensor sem fio: supercapacitores ARMS substituem baterias tradicionais em sistemas de monitoramento ambiental sem fio. Ao integrar um circuito de condicionamento de tensão com o supercapacitor, o sistema fornece energia confiável sob várias condições, como ambientes frios (por exemplo, refrigeradores).
2. Caso de uso de drone: Compostos de supercapacitores estruturais são integrados em componentes de drones para reduzir o consumo de energia da bateria. Os supercapacitores fornecem energia suplementar, aumentando a eficiência do drone ao combinar integridade estrutural com capacidades de armazenamento de energia.

Essas aplicações destacam o potencial dos supercapacitores ARMS para melhorar a eficiência, a sustentabilidade e o desempenho em diversos cenários do mundo real.

Em resumo, as tecnologias inovadoras dos projetos GRAPHERGIA e ARMS têm o potencial de revolucionar o armazenamento de energia. Por meio de esforços colaborativos dentro do Graphene Flagship, ARMS e GRAPHERGIA estão prontos para impulsionar a próxima geração de soluções de energia sustentável, contribuindo para um futuro mais limpo, mais verde e mais eficiente em termos de energia.

Este artigo foi escrito pelo Professor Spyros Yannopoulos, da FORTH, e da Universidade de Patras; Magda Spella, da FORTH; Hamed Pourkheirollah, da Universidade de Tampere; Mona Marill e Laura Argilés, da AUSTRALO; e Inese Jansone, do Instituto de Física do Estado Sólido, Universidade da Letônia.

Fonte: Innovation News Network

Disponível em: https://www.innovationnewsnetwork.com/graphene-energy-storage-for-a-sustainable-future/55442/