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Graphene and coltan: development opportunity for the electronics industry in Colombia

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Morales Mahecha, Esteban
Coy Sarmiento, Diego Arturo
Paz Penagos, Hernán
Abstract (Spanish)
El escenario de las energías limpias y renovables ha atravesado un proceso de transformación con el descubrimiento de nuevas fuentes de generación y dispositivos para su almacenamiento. Se buscan soluciones sostenibles y eficientes para satisfacer la creciente demanda de energía de la población actual. En todo el mundo se reconocen los problemas ambientales relacionados con los combustibles fósiles, pero, para abandonarlos y que las energías renovables puedan cubrir la demanda actual, estas no solo deben entregar la cantidad de energía suficiente, sino que además deben acumularse y transportarse. En esta perspectiva, las baterías desempeñan un papel importante en distintas áreas, desde el almacenamiento de energía, hasta la alimentación de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos, etc. Los dispositivos electrónicos usan relativamente poca potencia, por lo que incluso pequeñas mejoras en las baterías han impulsado grandes cambios en su desempeño y empleabilidad diaria. La funcionalidades del grafeno y del coltán los hacen idóneos para una variedad de aplicaciones, que son al mismo tiempo, oportunidades de desarrollo para Colombia, tales como: purificación y desalinización del agua, sistemas de catalización destinados a la producción de hidrógeno y de espumas para fines de alumbrado y como elemento de calentamiento rápido; el grafeno usado como material de recubrimiento fotocatalítico en edificios inteligentes puede purificar el aire de las ciudades; también es un material prometedor en los campos de la electrónica impresa, los sensores, biosensores de transistores de efecto de campo a base de grafeno (GFET), biosensores ópticos y las celdas fotovoltaicas. Actualmente se estudia la posibilidad de incorporar microchips de grafeno implantados en dientes para la detección bacteriana y la monitorización de la higiene bucal podrá facilitar el estudio y prevención de las enfermedades periodontales en el futuro; en la Universidad de Manchester se obtuvieron nuevos preservativos de grafeno gracias a los polímeros compuestos de grafeno, que brindan mayor tasa de transferencia de calor, mejorando la sensibilidad y la capacidad para dispersar, de forma uniforme, fármacos activos para prevenir enfermedades de transmisión sexual, embarazo o incluso incrementar el placer sexual. Las láminas de grafeno también han sido utilizadas recientemente para medir los niveles de glucosa en sangre a través del sudor y proporcionar dosis farmacológicas a través de la piel. Esta investigación se enfoca en un estudio de caso: el dimensionamiento de una batería de Litio con grafito en ambos electrodos como alternativa de solución para el mayor almacenamiento de energía. En este proceso se amplía la participación del grafito en ambos electrodos, específicamente en el recubrimiento del cátodo mediante capas para disminuir las pérdidas y con eso mejorar el almacenamiento de la batería. Con esta propuesta tanto el ánodo como el cátodo estarán formados por materiales intercaladores (grafito), distintos al ánodo de litio metálico que resulta peligroso, y el ion Li+1 puede viajar de manera reversible entre ellos. Como resultado del trabajo se logra diseñar en el software SolidWorks la estructura de la nueva batería que se construirá y probará en las siguientes etapas de la investigación.
Abstract (English)
The clean and renewable energy scenario has gone through a transformation process with the discovery of new generation sources and devices for their storage. Sustainable and efficient solutions are sought to satisfy the growing energy demand of today’s population. The environmental problems related to fossil fuels are recognized throughout the world, but to abandon them and for renewable energies to cover current demand, they must not only deliver enough energy but must also be accumulated and transported. In this perspective, batteries play an important role in different areas, from energy storage to powering electronic devices, electric vehicles, etc. Electronic devices use relatively little power, so even small improvements in batteries have driven big changes in their performance and daily use. The functionalities of graphene and coltan make them ideal for a variety of applications, which are at the same time development opportunities for Colombia, such as water purification and desalination, catalyzing systems for the production of hydrogen and foams for lighting purposes, and a rapid heating element; graphene used as a photocatalytic coating material in smart buildings can purify the air in cities; It is also a promising material in the fields of printed electronics, sensors, graphene-based field-effect transistor (GFET) biosensors, optical biosensors, and photovoltaic cells. The possibility of incorporating graphene microchips implanted in teeth for bacterial detection and monitoring of oral hygiene is currently being studied, which could facilitate the study and prevention of periodontal diseases in the future; At the University of Manchester, new graphene condoms were obtained thanks to graphene composite polymers, which provide a higher heat transfer rate, improving sensitivity and the ability to disperse active drugs to prevent sexually transmitted diseases uniformly, pregnancy or even increase sexual pleasure. Graphene sheets have also recently been used to measure blood glucose levels through sweat and deliver pharmacological doses through the skin. This research focuses on a case study: the sizing of a Lithium battery with graphite in both electrodes as an alternative solution for greater energy storage. In this process, the participation of graphite in both electrodes is expanded, specifically in the coating of the cathode through layers to reduce losses and thereby improve battery storage. With this proposal, both the anode and the cathode will be made up of intercalator materials (graphite), different from the metallic lithium anode, which is dangerous, and the Li+1 ion can travel reversibly between them. As a result of the work, the structure of the new battery that will be built and tested in the following stages of the research was designed in SolidWorks software.
Extent
26 p.
URI: https://repositorio.escuelaing.edu.co/handle/001/3426
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AB - Ecitrónica
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