Por Manuel Viera F., presidente de la Cámara Minera de Chile.

Todo comienza con la extracción del mineral de carbón llamado grafito. De él se obtiene el grafeno, pero ¿qué es el grafeno, este mineral que ahora no solo amenaza al cobre, sino también podría reemplazar al litio al fabricar baterías más eficientes y livianas?

El 2004, dos científicos físicos, Konstantin Novoselov y Andrey Gueim, lograron descubrir el material del futuro: el grafeno, revolucionando el mercado por sus innumerables aplicaciones en tecnología, industria de semiconductores y en la construcción, especialmente. El grafeno se usa como el aislante térmico más eficiente y duradero y con gran eficiencia en construcción.

Asimismo, con grafeno se multiplica por diez la vida útil de una batería. Su mayor duración y su flexibilidad lo hace un material liviano, muy necesario para disminuir el peso de autos eléctricos. En medicina, en tanto, se está empleando en prótesis más flexibles y ligeras, con potencial para crear huesos y músculos artificiales. 

También, se está utilizando en la industria armamentista, sin embargo, las guerras aceleran los adelantos tecnológicos. Por ejemplo, en el conflicto de Rusia con Ucrania se emplean baterías de grafeno más livianas y más eficientes en los drones, que se usan para atacar objetivos militares avanzados a miles de kilómetros, lo que antes casi era imposible.

Las aplicaciones del grafeno son múltiples, como palos de golf, automóviles, celulares, cascos, pantallas electrónicas, cargas rápidas, aviones, filtros para la música, paneles solares, industria aeroespacial, etc.

El grafeno puede adquirir una estructura hexagonal de átomos de carbono en láminas (inestable termodinámicamente) o romboédrica. Este mineral es abundante en la corteza terrestre y aparece asociado a rocas metamórficas ricas en materia orgánica, actividad hidrotermal en zonas de falla y en carbones (principalmente hullas y antracitas grafitosas). El principal productor de este mineral es China (> 185,000 t) seguido de Rusia y la India (> 25,000 t).

El grafeno está siendo investigado en casi todos los campos de la ciencia y la ingeniería, en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, sensores químicos, nanocompósitos y almacenamiento de energía, así como procesos de síntesis de grafeno de una sola capa, nanorribones de grafeno, grafeno químicamente derivado y polímeros a base de grafeno. Del mismo modo, como compuestos de nanopartículas y sus correspondientes propiedades estructurales, térmicas, ópticas, eléctricas, sus posibles aplicaciones y el impacto del grafeno en el medio ambiente.

A medida que crece la demanda de soluciones energéticas eficientes y sostenibles, cuidando el planeta, las baterías de grafeno y litio se han convertido en las principales opciones.

Pero ¿qué es una batería de grafeno? Es un dispositivo de almacenamiento de energía que incorpora grafeno en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura reticular de panal. El grafeno, conocido por su excepcional conductividad eléctrica y resistencia, es un componente esencial de estos dispositivos. La batería suele constar de un electrodo de grafeno, un electrolito y un segundo electrodo de un material complementario.

Ventajas de las baterías de grafeno 

Las baterías de grafeno poseen varias ventajas notables que las convierten en una alternativa atractiva a las tecnologías convencionales:

Carga rápida: presentan una excelente aceptación de carga, lo que permite una carga rápida. Esta característica es especialmente ventajosa en aplicaciones donde la recarga célere es esencial, como vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles.

Alta densidad energética: esta característica se traduce en una mayor energía almacenada por unidad de masa o volumen, lo que prolonga la vida útil del dispositivo y aumenta su eficiencia.

Mayor vida útil: la excepcional durabilidad y resistencia a la degradación del grafeno contribuyen a prolongar la vida útil de la batería. Esta longevidad reduce la frecuencia de reemplazo, lo que la convierte en una solución rentable a largo plazo.

Mayor seguridad: las baterías de grafeno son más estables y menos propensas a fugas térmicas. Este fenómeno puede provocar incendios o explosiones en las baterías de litio. Este perfil de seguridad mejorado convierte a las baterías de grafeno en una opción atractiva para diversas aplicaciones, como vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía, que es su mayor ventaja.

Respeto al medio ambiente: el grafeno es un material a base de carbono y su uso promueve la sostenibilidad ambiental. Las baterías de grafeno ofrecen una alternativa más limpia y ecológica a ciertas composiciones químicas que utilizan elementos tóxicos.

Casos reales hoy en el mundo: en 2023, la gigante Huawei probó un prototipo de batería de grafeno que se cargaba del 0% al 80% en 15 minutos (fuente: Nature Energy).

Comparación de baterías de grafeno y litio

Analicemos y comparemos las baterías de grafeno y litio, es claro que intervienen varios factores clave. Veamos estas variables para comprender a fondo las ventajas y desventajas.

Densidad de energía: las baterías de grafeno exhiben una mayor densidad de energía que las baterías de litio, lo que les da una ventaja para maximizar la capacidad de almacenamiento de energía.

Velocidad de carga: las baterías de grafeno se destacan por sus capacidades de carga rápida, superando significativamente a las baterías de litio en términos de aceptación de carga y tiempos de carga reducidos.

Vida útil: las baterías de grafeno tienen una vida útil más larga debido a su durabilidad superior, lo que las convierte en una opción más confiable para el uso a largo plazo.

Seguridad: si bien ambos tipos de baterías cuentan con funciones de seguridad avanzadas, las baterías de grafeno ofrecen una estabilidad mejorada y un menor riesgo de fuga térmica, lo que mejora la seguridad general.

Impacto ambiental: las baterías de grafeno se consideran más respetuosas con el medio ambiente, ya que está constituidas a base de carbono y no contienen elementos tóxicos, a diferencia de las químicas específicas de las baterías de litio.

Costo: actualmente, la fabricación de baterías de grafeno es más cara que la de litio, debido principalmente a las dificultades que implica la producción a gran escala. Sin embargo, a medida que la tecnología avance y se implementen las economías de escala, las baterías de grafeno podrían volverse más competitivas en cuanto a costos.

Madurez y disponibilidad: el mercado ha adoptado ampliamente las baterías de litio, estableciendo una infraestructura y cadenas de suministro consolidadas para esta tecnología. Por otro lado, las baterías de grafeno aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo y enfrentan desafíos de escalabilidad y disponibilidad comercial.

Ventajas específicas de la aplicación: un tipo de batería puede ser ventajoso según la aplicación específica. Por ejemplo, las baterías de grafeno son ideales para vehículos eléctricos de carga rápida. Por el contrario, los usuarios de dispositivos electrónicos portátiles pueden preferir las baterías de litio por su alta densidad energética.

Tabla 1. Comparación entre Baterías de Grafeno y Litio

En definitiva, la batalla entre las baterías de grafeno y litio seguirá moldeando el futuro del almacenamiento de energía, brindándonos soluciones cada vez más eficientes y sostenibles para nuestro mundo, con un consumo energético cada vez mayor. Chile, lamentablemente, siempre va atrás. Casi no existen centros de investigación del grafeno que puedan analizar un nuevo uso como, por ejemplo, polines inteligentes de las cintas trasportadoras. La gran desventaja aún es el costo de fabricación, pero es cuestión de tiempo solamente.

Reemplazo del cobre

Ahora, respecto del reemplazo del cobre esto es más complejo. El grafeno tiene ventajas sobre el metal rojo por su mayor conductividad eléctrica y térmica, resistencia mecánica (más fuerte que el acero), ligereza (hasta 200 veces menos que el acero) y flexibilidad/transparencia. A pesar de estas ventajas, su producción a gran escala es más costosa. En cambio, el cobre es más económico, conocido por su maleabilidad y tiene la ventaja de ser más resistente a la proliferación de bacterias.

Tabla 2. Comparación de Ventajas: Grafeno vs Cobre

Como conclusión, podemos decir que Chile ya está atrasado en iniciar proyectos de I&D para ver los usos del grafeno junto al cobre y no quedar atrás. Como Cámara Minera de Chile recomendamos iniciar investigaciones a la brevedad, para dar mayor uso al cobre y litio. Si bien el grafeno tiene el potencial de reemplazar al cobre en aplicaciones de transmisión eléctrica y energía, ¿qué tal si se utiliza junto con este para mejorar el rendimiento de los materiales de las líneas de transmisión existentes?

Hemos sido reiterativos para el mundo político y sostenemos que, debemos acelerar el paso en varios tópicos que la Cámara ya ha alertado, como:

a)   Las autoridades y las instituciones cercanas a la minería deben iniciar una cartera de proyectos para darle nuevos usos al cobre, pero en conjunto con el grafeno.

b)   Insistimos que al litio chileno se le debe liberar de inmediato para aumentar la producción y así obtener recursos extras por la bonanza de los precios de las materias primas.

c)   También, investigar el uso compartido entre grafeno y litio para fabricar baterías, usando ambos materiales.

d)   ¿Por qué no usar los fondos del royalty para estos casos?

e)   Lo que podría suceder en el futuro es que nos preguntemos: ¿por qué no logramos industrializar el cobre y el litio tomando las decisiones adecuadas y no cuando ya era tarde?

f)    Los drones ahora son la vedette de la guerra porque llevan baterías de grafeno disminuyendo su peso y son más eficientes. Logran recorrer grandes distancias hasta alcanzar el objetivo.

Hacemos votos para que los candidatos a la Presidencia de Chile entiendan la importancia que tienen para la economía del país el cobre y el litio, y si se reemplaza total o parcialmente alguno de ellos, habrá serias consecuencias en el presupuesto de la nación. Por eso, les exigimos mayor compromiso con nuestra minería.

La Cámara Minera de Chile advierte la posibilidad cierta de que, en menos de 8 años, el grafeno reemplace al cobre y al litio, con la consecuencia de quedarnos con grandes reservas sin explotarse de estos minerales. Es decir, se vuelve a repetir el síndrome del salitre.