Impresión 3D para la construcción de materiales grafénicos altamente porosos con aplicación potencial en electrodos de sistemas de almacenamiento de energía

Dra. Rosa Martha Jiménez Barrera y Dr. José de Jesús Kú Herrera.

Investigadores por México del CONACYT-CIQA, Departamento de

Química Macromolecular y Nanomateriales del CIQA

Debido al crecimiento exponencial del consumo energético, el aumento en el precio de los combustibles fósiles y la excesiva emisión de CO2 a la atmósfera, en la actualidad existe un gran interés en el desarrollo de nuevos materiales para sistemas de almacenamiento de energías limpias y renovables, particularmente para baterías y supercapacitores [1].

El grafeno es considerado como uno de los materiales más prometedores para aplicaciones en electrodos de sistemas almacenamiento de energía debido a su alta área superficial (~2600 m2g-1), excelente movilidad electrónica (~200 000 cm2V-1 s-1 a baja temperatura), gran resistencia mecánica (100-300 veces mayor que el acero) y alta estabilidad química/electroquímica [2]. Sin embargo, las láminas de grafeno son propensas a la aglomeración y reapilamiento, lo que afecta en gran medida su desempeño final. Una estrategia para resolver este problema y explotar las propiedades intrínsecas del grafeno consiste en ensamblar sus láminas en estructuras porosas tridimensionales (3D).

La impresión 3D es una técnica novedosa que ha venido revolucionando rápidamente la construcción de materiales porosos. En comparación con los métodos convencionales (autoensamblaje o con plantillas) por impresión 3D se pueden fabricar fácilmente materiales grafénicos tridimensionales con arquitecturas diseñadas a la medida, los cuales pueden ser utilizados para la creación de prototipos y dispositivos funcionales [3]. Una tecnología potencial para innovar prototipado y manufactura de materiales altamente porosos por impresión 3D es el modelado por deposición fundida (FDM) [4], el cual consiste en fundir filamentos termoplásticos capa por capa siguiendo patrones específicos para obtener un objeto tridimensional.

Inspirados en la combinación de las sobresalientes propiedades del grafeno y el método por impresión 3D, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) hemos propuesto desarrollar materiales altamente porosos con materiales grafénicos empleando la técnica FDM para su uso potencial en electrodos de sistemas de almacenamiento de energía.

Por el proceso de extrusión, hemos desarrollado filamentos imprimibles a base de grafeno con polímeros como el poli(ácido láctico) (PLA) y el poli(vinil alcohol) (PVA) con un porcentaje en peso de grafeno a partir de 10% y hemos logrado con ellos imprimir por FDM los primeros prototipos altamente porosos con diversos patrones de relleno 3D (Gyroid, Lindinoid, Schwarz de diamante, etc.). En la Figura 1a se presenta un filamento a base de grafeno con PLA (grafeno/PLA) y en la Figura 1b se presentan modelos tridimensionales grafeno/PLA con porosidad controlada y diferentes patrones de relleno 3D. Los primeros resultados muestran que las conductividades eléctricas de estos materiales están en el orden de 10-5 a 101 S/cm. Estos valores posicionan a nuestros materiales como candidatos prometedores para la construcción de electrodos de sistemas de almacenamiento de energía.

Figura 1. Materiales desarrollados en el CIQA: a) Filamentos a base de grafeno/PLA. b)

Prototipos de estructuras porosas grafeno/PLA impresos en 3D con diferentes tipos de

patrones de relleno 3D: Gyroid (izquierda), Lindinoid (centro) y Schwarz de diamante

(derecha) y sus respectivas celdas unitarias.

El reto ahora está optimizar nuestros procesos y materiales para alcanzar desempeños energéticos superiores a los de los dispositivos disponibles en el mercado a un costo competitivo. Así mismo, la expectativa de esta investigación no se limita al sector energético sino tambien en otros campos de aplicación como en biología, medicina, electrónica, remediación ambiental, entre otros.

En nuestro grupo de investigación estamos abiertos a la colaboración interdisciplinaria a fin de transcender y extrapolar los alcances de los materiales desarrollados a partir de una de las tecnologías más disruptivas del momento, la impresión 3D. Para solicitar más información pueden contactarnos a través de la página www.ciqa.mx o bien enviarnos un correo electrónico.

Contactos:

Dra. Rosa Martha Jiménez Barrera; rosa.jimenez@ciqa.edu.mx

Dr. José de Jesús Kú Herrera; jesus.ku@ciqa.edu.mx

Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA)

Blvd. Enrique Reyna H. 140 Saltillo, Coahuila. México. CP 25294

Tel. +52 844 438 98 30 Ext. 1055

Bibliografía:

1. A. Kalair, N. Abas, M.S. Saleem, A.R. Kalair, N. Khan, Role of energy storage systems in energy transition from fossil fuels to renewables, Energy Storage. 3 (2021) e135.https://doi.org/https://doi.org/10.1002/est2.135
2. J. Han, I. Johnson, M. Chen, 3D Continuously Porous Graphene for Energy Applications, Advanced Materials. n/a (2021) 2108750.https://doi.org/https://doi.org/10.1002/adma.202108750
3. Y. Wu, J. Zhu, L. Huang, A review of three-dimensional graphene-based materials: Synthesis and applications to energy conversion/storage and environment, Carbon N Y. 143 (2019) 610–640.https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.11.053
4. M.P. Browne, E. Redondo, M. Pumera, 3D Printing for Electrochemical Energy Applications, Chemical Reviews. 120 (2020) 2783–2810.https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00783