2 dobre artykuły na temat grafenu – materiału przyszłości

Aby powstały baterie grafenowe musi najpierw powstać tania metoda wytwarzania tego „świętego grala” wśród materiałów wytwarzanych przez człowieka.  Jak okazuje się, polscy naukowcy wiedzą jak to robić i przodują w jego produkcji. Według  profesora Zygmunta Łuczyńskiego cena wytworzenia arkusza grafenu może wynieść 70zł. Obecnie cena to 300 tys. złotych za arkusz 🙂

Jeśli chcecie dowiedzieć się więcej ciekawostek na temat grafenu to zapraszam do tych dwóch świetnych artykułów w portalu NaTema:

1. rafen w Polsce: od silników po instalacje w samolotach

2. Grafen do zębów, grafen do butów

 

Zobacz o co chodzi z tym całym grafenem – film na YT

Znany kanał naukowy na Youtubie – SciShow, przygotował pięcio-miutowy film opisujący w przystępny sposób tematykę super materiału o wspaniałych właściwościach (np. w branży baterii i akumulatorów, pozwalający na zbudowanie baterii ładującej się w kilkanaście sekund, a następnie powoli oddającej energię).

Do obejrzenia wymagana jest znajomość języka angielskiego …

Naukowcy bliscy rozwiązania problemu masowej i taniej produkcji grafenu.

Kiedy kilka lat temu na ustach wszystkich pojawił się grafen, został natychmiast okrzyknięty świętym gralem wśród wszystkich materiałów znanych ludzkości. Półprzewodniki oraz baterie oparte o ten materiał, miały być dostępne niebawem a ich właściwości miały być fantastyczne.

Niestety prawda okazałą się znacznie bardziej ponura. Grafen o ile jest cudownym materiałem o tyle jest bardzo trudny i kosztowny w produkcji.

Na szczęście, niedawno zespół naukowców z koreańskiego Science and Technology Institute, ogłosił, że będzie w stanie produkować znacznie taniej i szybciej materiał zbliżony właściwościami do grafenu, a co najważniejsze jego jakość będzie wysoka.

W odróżnieniu od sytuacji, która panuje na rynku grafenu obecnie. To właśnie te 2 parametry niemalże zablokowały dalsze prace nad grafenem. Czas produkcji oraz defekty w produkcie końcowym.

Nowy materiał dostał nazwę PIM-1 i jest to polymer o mikroporowatej strukturze. Dzięki niemu masowa produkcja ma szansę ruszyć z pełną prędkością, o której marzyła branża.

Przekraczanie barier baterii litowo-jonowych

Praktycznie każdy smartfon działa dzisiaj na baterii litowo-jonowej , która zapewnia mu zasilanie przez przeniesienie elektronów pomiędzy anodą i katodą ogniwa akumulatora. Ilość jonów litu wewnątrz baterii wpływa bezpośrednio , na to jak długo telefon może działać na jednym cyklu naładowania.

Problem leży w graficie, który przechowuje jony litu w anodzie akumulatora . Grafit ma teoretyczną granicę , która określa ile może pomieścić litu , a dzisiejsze baterie prawie go osiągnęły . Chociaż większe baterie zawsze opcją – jak widać na przykładzie Droid Razr Maxx od Motoroli – większość ludzi  nie chcesz grubszych, cięższych telefonów , tak więc producenci telefonów poświęcają czas pracy baterii w imię smukłości .

Podczas gdy anody zbudowane na graficie osiągają swoje maksymalne parametry, wyścig trwa w zastąpieniu grafitu silikonem, materiałem który oferuje 10 razy większą pojemność od dzisiejszych rozwiązań.

„Obecnie trwa wiele badań nad krzemem, który jest najlepszym materiałem absorbującym lit i mającym największą potencjalność pojemność ze wszystkich znanych materiałów”, powiedział Phillip Roberts , prezes California Lithium Battery.

Niestety zamiana krzemu z grafitu nie jest łatwe . Krzem pęcznieje podczas ładowania , powodując łamanie się styków  podczas rozładowania w efekcie bateria traci swoje parametry. Ta zamiana powoduje, że zwiększona pojemność odbija się negatywnie na żywotności.

California Lithium Battery pracuje nad kompozytem krzemu i grafenu – materiału nagrodzonego nagrodą Nobla wykonanego z  atomowej grubości warstw grafitu , te rozwiązanie  łączy pojemność silikonu oraz trwałość grafitu . W przeciwieństwie od innych rozwiązań opartych o anody na bazie krzemu, ten kompozyt, który jest na licencji Argonne National Laboratory, zapobiega zbrylaniu się krzemu, co prowadzi do zmniejszenia pęcznienia a przez to trwałość, powiedział Roberts.

Roberts ma nadzieję, że w ciągu sześciu miesięcy, firma będzie mogła produkować materiał w tonach i wysłać go do producentów akumulatorów i producentów telefonów do testów. W ciągu dwóch lat, firma spodziewa się, że uda się wyprzeć silikonowe anody tymi grafenowymi  w obecnych bateriach, podnosząc ich pojemność  o 30%.

„Powiedziałbym, że w ciągu dwóch lat zobaczymy tą technologię w produkcji. Zmiany dzieją się stosunkowo szybko.  Sporo się dzieje za kulisami tego przemysłu. „dodał Roberts.

W połączeniu z innymi postępami w katodach oraz materiałach elektrolitowych, należy spodziewać się poprawy pojemności o 100 procent , prawdopodobnie w ciągu trzech lat .

Firmy pracujące nad technologią krzemowej anody również poczuły presję producentów baterii i urządzeń. California Lithium Battery przyciągnęła tyle uwagi, że zmieniła swoje pierwotne skoncentrowanie się z samochodów elektrycznych na elektronikę użytkową. Prezes Phillip Roberts powiedział „prawie każdy producent smartphonów” okazał zainteresowanie technologią naszej firmy. „Nie skontaktowaliśmy się praktycznie z ani jedna firmą, to firmy produkujące smartfony wykazały inicjatywę, dodał Roberts.

Pozostaje się zastanawiać,  jak producenci telefonów wykorzystają nową technologię produkcji baterii, kiedy stanie się dostępna. Czy baterie będą w końcu dostarczyć solidne 24 godziny energii, których tak bardzo potrzebujemy, czy jednak będą dążyć do coraz cieńszych urządzeń, które będą się nam jeszcze bardziej podobać?

Pomimo zapewnień, wydaje się niestety, że mamy przed sobą co najmniej kilka lat męczarni z obecną technologią produkcji baterii, zanim nowocześni następcy trafią do naszych gadżetów.

Źródo: http://clbattery.com/peak-battery-why-smartphone-battery-life-still-stinks-and-will-for-years

Grafenowe super-kondensatory gotowe na gromadzenie energii w samochodach elektrycznych

Tradycyjne akumulatory potrafią się tak długo ładować, że nie można skutecznie przechowywać energii hamowania za ich pomocą. Superkondensatory grafenowe przechowują prawie tak samo dużo energii, ale ładują się w zaledwie 16
sekund.

Pojazdy elektryczne nadchodzą, czy tego chcemy czy nie. Jedną z technologii wspomagających te pojazdy jest stara dobra bateria – szczególnie wersja litowo-jonowa, która może przechowywać wystarczająco dużo energii. Bez niej samochód nie mógłby jeździć w sensownym zasięgu od stacji ładowania.

Oczywiście, producenci samochodów zawsze szukają sposobów na poprawę efektywności, a przez to zasięg pojazdów. Jednym ze sposobów aby to zrobić, jest odzyskanie i ponownie wykorzystanie energii, która normalnie byłyby zmarnowana w momencie spowalniania samochodu za pomocą hamólców.

Zwykłe akumulatory mają problem z ładowaniem podczas hamowania. Ponieważ hamowanie mierzone jest w sekundach, jest to o wiele za szybko. Ładowanie baterii na ogół trwa wiele godzin. Więc producenci samochodów muszą znaleźć inne sposoby magazynowania tej cennej energii.

Jednym z bardziej obiecujących sposób jest zastosowanie superkondensatorów, mogą one pobierać energię szybko a następnie rozładować energię równie szybko. W związku z tym wielu producentów samochodów eksperymentują właśnie z tą technologią.

Niestety superkondensatory nie są jeszcze gotowe na otwartej drogi. Mimo że ładowanie i rozładowanie jest szybkie, to nie przechowują one dużo energii.

Co więcej superkondensatory te mają tendencję do szybkiego zużywania się przy wielokrotnym stosowaniu ich. Wynika to z tego, że materiały wewnątrz psują się podczas przepływu ładunków. To jest istotna wada w takim urządzeniu, które ma być używane wiele milionów razy w ciągu życia samochodu.

Graphene supercapacitor

Santhakumar Kannappan w Gwangju Instytutcie Nauki i Technologii w Korei i kilku kumpli mówią, że mają rozwiązanie oparte na „materiale cud” czyli grafenie. Ci faceci zbudowali superkondensator wysokiej wydajności z grafenu, który przechowywać będzie prawie tyle samo energii co w baterii litowo-jonowej. Będzie mógł ładować i rozładować się w kilka sekund i utrzymać sprawność przez wiele dziesiątek tysięcy cykli ładowania.

Sztuczkę, którą Ci faceci udoskonalili to zrobienie bardzo porowatej werji grafenu, która ma ogromną powierzchnię wewnętrzną. Stworzyli oni tę formę grafenu poprzez zmniejszenie cząstek tlenku grafenu z hydrazyny w wodzie mieszając związek za pomocą ultradźwięków.

Grafenowy proszek jest następnie pakowany do komórek w kształcie monety i suszono w temperaturze 140C, pod ciśnieniem 300kg/cm przez pięć godzin.

Otrzymana w ten sposób grafenowa elektroda jest bardzo porowata. Jeden gram tego materiału ma powierzchnię większą niż boisko do koszykówki. To jest bardzo ważne, ponieważ umożliwia elektrodzie pomieścić znacznie więcej elektrolitu (jonowa ciecz, EBIMF 1 M). Właśnie to ostatecznie określa ilość ładunku, który superkondensator może pomieścić w sobie.

Kannappan i przyjaciele zmierzyli wydajność ich superkondensatora i są wyraźnie pod wrażeniem wyników jakie otrzymali. Okazuje się bowiem, że ich grafenowa bateria ma pojemność o wartości przekraczającej 150 faradów na gram i może gromadzić energię o gęstości większej niż 64 Wh/kg przy gęstości prądu na poziomie 5A na gram.

Wynik ten jest prawie porównywalny z bateriami litowo-jonowymi, które mają gęstość energetyczną między 100 i 200 Wh/kg.

Grafenowe superkondensatory mają też inne zalety. Kannappa mówi, że może je w pełni naładować w zaledwie 16 sekund a powtarzalność tego procesu to około 10.000 razy bez znacznego zmniejszenia ich pojemności. Są to najlepsze wartości jakie opisano w dotychczasowej literaturze naukowej, mówią laboranci z Gwangju.

Jest to bez dwóch zdań imponujący zestaw osiągów, który równie dobrze może uzasadniać wniosek autorów. Te „urządzenia służące do magazynowania energii oparte o grafenowy superkondensator… mogą być skalowane w górę w produkcji w niedalekiej przyszłości do zastosowań w pojazdach elektrycznych.”

Jeśli mają rację, zwykłe elektryczne pojazdy drogowe już wkrótce będą mogły efektywnie zbierać energię, która do tej pory w dużej mierze była zwyczajnie marnowana.

Źródło: http://www.technologyreview.com/view/521651/graphene-supercapacitors-ready-for-electric-vehicle-energy-storage-say-korean-engineers/

Grafen wchodzi do gry w bateriach dla samochodów elektrycznych

Zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory buduje akumulator do pojazdów elektrycznego o zasięgu 480km. Jak twierdzą jest on niemalże na ukończeniu. Dzięki unikalnej kombinacji różnych technologiach elektrochemicznych, w tym nowego materiału o nazwie „sulfur-graphene oxide” S-GO.

Grafen na ratunek …

Bateria grafenowa „S-GO” powstała w zakładach Berkeley Lab w celu wykorzystania jej w nowej generacji ogniw dla samochodów elektrycznych „EV”, oparty na technologii litowo-siarkowej.

Bateria grafenowa S-GO

Siarka ma kilka kluczowych zalet w stosunku do konwencjonalnych technologii akumulatorów litowo-jonowych. Są nimi np. pojemność (znacznie większa), toksycznośc (brak), koszty (mniejsze) oraz masa (mniejsza), niestety jest również bardzo krucha. Istotą problemu jest to, że siarka jest zazwyczaj rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych użytkowanych w tradycyjnych bateriach. Proces ten tworzy jony polisulfid, które mogą dostać się do anody litu i ponownie umocnić ją jako osad, tworząc barierę, która zakłóca pojemność. Powoduje to, że typowe prototypy litowo-siarkowe nie mogą trwać dłużej niż kilkanaście cykli ładowania-doładowania, nie tracąc swojej zdolności do przechowywania ładunku.

Rozwiązaniem Berkeley Lab było opracowanie nanomateriału składającego się z małych cząstek płatków grafenu pokrytych siarką, nazwanej „S-GO”. Pracownik Allan Chen z Berkeley Lab opisał to tak: „S-GO” charakteryzuje się dużymi porowatymi powierzchniami, co pozwala na bardziej „intymny kontakt elektroniczny” z siarką przy jednoczesnym ograniczeniu utraty kontaktu z kolektorem prądu elektrody.

Kiedy stosowany jako materiał katody w baterii litowo-siarkowej, „S-GO” wiąże się z litem podczas rozładunku i uwalnia go z powrotem do anody w czasie ładowania. Tymczasem „S-GO” rozwiązuje kilka innych kluczowych kwestii, w tym ogromnego wybrzuszenia, które kłopotoało technologie litowo-siarke. Grafen nadaje element elastyczności, który umożliwia „S-GO”, poradzenie sobie ze wzrostem objętości siarki do 76 procent podczas przekształcania się w siarczek litu podczas rozładowania.

Lepszy zasięg baterii dla EV poprzez elektrochemiczny tandem. Teraz rzućmy okiem na to jak katoda „S-GO” współpracuje z innymi technologiami elektrochemicznymi EV, rozszerzając zakres baterii w baterii litowo-siarkowej. Oprócz znacznie ulepszonej wydajności katody, nowe baterie wspierają takie gadżety jak spoiwa (wzmocnione kauczukiem w połączeniu z zagęstnik), które zwiększają moc. Aby poradzić sobie z problemem polisiarczkowym, zespół wykorzystał powłokę z cetylo-trimetyloamonianiu-bromeku-amonu (powierzchniowo czynnego stosowanego w systemach dostarczania leków) na elektrodzie siarki.

Również pomocą w rzeczy polisulfidów był nowy elektrolit oparty na cieczy jonowej, opracowany w laboratorium w Berkeley (ciecze jonowe są nielotne oraz niepalne). Nowa ciecz jonowa zapewnia ogromny wzrost tempa pracy akumulatora, zwiększając jednocześnie szybkość ładowania i dostarczania energii w czasie rozładowania.

Oto wynik jak donosi profesjor Chen z Barkley:

Bateria początkowo wykazała szacunkową energię komórki większą niż 500 Wh / kg i utrzymywała się na poziomie > 300 Wh / kg po 1000 cyklach – o wiele więcej niż w obecnie dostępnych komórek litowo-jonowe, których obecnne parametry to średnio około 200 Wh / kg. Taki wynik pozwala na osiągnięcie zamierzonego celu zasięgu samochodu elektrycznego – 480 km. Aby pojazdy elektryczne miały zasięg 480 km, akumulator powinien dostarczyć konkretną energię uzyskiwaną z komórek – 350 do 400 Wh / kg. Wymagać to będzie niemal dwukrotnie większej energii (około 200 Wh / kg) w stosunku do obecnych akumulatorów litowo-jonowych. Bateria także musi mieć co najmniej 1000, a najlepiej 1500 cykli ładowania/rozładowania bez objawów zauważalnej straty mocy lub utraty zdolności magazynowania energii.

Kolejne etapy obejmują zwiększenie wykorzystania siarki, utrzymując wydajność w ekstremalnych warunkach, oraz oczywiście skalowanie wielkości. Na koniec. Jeśli są jacyś partnerzy z sektora prywatnego, którzy chcieli by współfinansować badania i rozwój to laboratorium Berkeleya z chęcią nawiąże współpracę. Pamiętaj, Grafen to cudowny materiał nowego tysiąclecia.

Źródło: http://cleantechnica.com/2013/11/20/graphene-boosts-ev-battery-range-to-magic-300-mile-number/

Ta elektronika z grafenową baterią wbudowaną w silkonowy chip, zmieni świat.

Wyobraź sobie przyszłość bez baterii . Ale w tej samej przyszłości , twój telefon ładuje się w kilka minut pozostąc naładowanym przez tygodnie (posiadając baterię grafenową). Dzięki pierwszej na świecie super komórce krzemowej zbudowanej z grafenu, ta wizja przyszłości może być już realna niebawem. Wszystko za sprawą grafenu.

Zespół inżynierów z uniwersystetu Vanderbilt w Tennessee, zbudował właśnie takie urządzenie. Ich tzw „sylikonowy superprzewodnik” może być wbudowany w chipy krzemowe i może diametralnie zmienić baterie oraz akumulatory jakie znamy do tej pory. W przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów akumulujących energię poprzez reakcje chemiczne, urządzenie to przechowuje energię przez łączenie jonów na powierzchni porowatej powierzchni krzemu.
Ale ponieważ krzem reaguje z niektórymi substancjami chemicznymi w elektrolicie – te, które dostarczają jony – inżynierowie powlekli powierzchnię grafenem. Okazało się, że nie tylko grafen ochronił krzem, ale także poprawił gęstość przechowywanej energii w urządzeniu o ponad dwa rzędy wielkości. To proste rozwiązanie spowodowało, że urządzenie z krzemowo-grafewnową baterią może przechowywać znacznie więcej energii. Wielkie nieporęczne kondensatory aktualnie używane w tego typu urządzeniach (systemy odzyskiwania energi z hamowania) mogą zostać znaznie ulepszone przez to nowatorskie rozwiązanie. A wszystko to w małym układzie krzemu.

„Gdyby zapytać ekspertów o zrobienie super kondensatora z krzemu , to powiedzą Ci, że toszalony pomysł, ” Cary Pint, asystent profesora, który prowadził projekt, powiedział serwisowi Vanderbilt. „Ale musimy znaleźć łatwy sposób aby to robić. „I nie tylko jako gadżet ale praktycznie urządzenie”. Pint ma nadzieję użyć go jako „plan działania dla zintegrowanego systemu magazynowania energii. „Innymi słowy , chce zobaczyć urządzenia do przechowywania energii elektrycznej bezpośrednio w silikonowym chipie. Asystent profesora dodał dodał również „Im bardziej, możemy integrować magazynowanie energii do istniejących materiałów i urządzeń ,tym bardziej kompaktowe i wydajne staną się one”.

Prawdziwi futuryści będa podkreślać, że rozwój urządzeń z w pełni grafenowymi chipami, które zamiast pracować na prądzie będą pracować na świetle są ruchem godnym nowego stulecia. Ale ten rodzaj technologii będzie wymagać od nas całkowicie zmieny sposobu budowania elektroniki, natomiast wynalazek z uczelni Vanderbilt może być faktycznie zbudowany z krzemu pochodzącego z recyklingu ze zużytych elektroniki plus oczywiście trochę grafenu.

Źródło: http://gizmodo.com/this-graphene-coated-silicon-power-cell-signals-a-batte-1452245250

650 mln zł na dofinansowanie projektów wykorzystujących grafen

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło 22 października 2012 r. wyniki konkursu Graf-Tech oraz konkursu w ramach działania 1.4 Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W pierwszym z nich do rozdysponowania było 60 mln zł , natomiast w drugim blisko 590 mln zł. Wsparcie prac badawczo-rozwojowych ma doprowadzić do praktycznego wdrożenia projektów. W programie Graf-Tech dofinansowanie otrzyma co najmniej 12 konsorcjów. W ośmiu z nich liderem bądź partnerem jest Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych – ITME w Warszawie. Środki mają być przeznaczone na badania przemysłowe, prace rozwojowe i przygotowania do wdrożenia produktów opartych na wykorzystaniu grafenu. Oczekiwane są zastosowania grafenu w przemyśle elektronicznym oraz medycynie.

W konkursie Graf-Tech rozdysponowano około 50 mln zł. Obecnie rozpatrywane są protesty złożone od oceny formalnej, co oznacza, iż liczba beneficjentów programu może się jeszcze powiększyć.

– Dzięki finansowaniu innowacyjnych rozwiązań, takich jak wyroby bazujące na grafenie, Polska może stać się liderem w kilku obszarach techniki. Aby tak się stało, potrzebne jest współdziałanie naukowców i przedsiębiorców. Od momentu wprowadzenia reformy finansowania nauki zauważamy także znacząco większe zainteresowanie przedsiębiorców realizacją projektów B+R służących budowaniu własnych przewag konkurencyjnych – mówił prof. Krzysztof Jan Kurzydłowski, dyrektor NCBR.

W konkursie dotyczącym programu Innowacyjna Gospodarka dofinansowanie przyznano 116 projektom. Ponad 400 mln zł trafi do małych i średnich przedsiębiorstw. Wsparcie przeznaczone jest na projekty celowe. Warunkiem otrzymania dotacji było zobowiązanie beneficjenta do wdrożenia wyników finansowanych prac badawczo-rozwojowych.

– Polski nie stać na to, by najbardziej innowacyjne technologie czy rozwiązania z opóźnieniem trafiały do polskiej gospodarki. Inwestowanie w programy sprzyjające innowacjom zyskuje na znaczeniu zwłaszcza w czasie kryzysu ekonomicznego – mówiła minister nauki i szkolnictwa wyższego, prof. Barbara Kudrycka.

źródło: naukawpolsce.pap.pl

Polska firma sprzedaje grafen

Spółka Nano Carbon rozpoczęła sprzedaż płatków grafenowych. Firma dostarcza produkt głównie zagranicznym instytutom badawczym. Cena cm² takich płatków wynosi 300 dolarów, a transakcje obejmują znacznie większe ilości. Sprzedaż płatków grafenowych uruchomiono bez rozgłosu, jednak producent chciałby to nagłośnić. Prawdopodobnie w tym celu odbędzie się konferencja z udziałem ministra skarbu państwa. Nano Carbon to spółka, w której udziały ma koncern KGHM i Agencja Rozwoju Przemysłu.

Płatki grafenowe wykorzystywane są w dalszych pracach nad grafenem. Obecnie firma nie liczy na pokrycie przez sprzedaż kosztów badań. Jak wyjaśnia wiceprezes firmy Nano Carbon Włodzimierz Mischke, szybsze zyski będą możliwe do osiągnięcia w następnych grafenowych projektach, których obecnie nie może ujawniać.

Spółka Nano Carbon wcześniej zainteresowana była nakładaniem grafenu na powierzchnie metaliczne, szczególnie miedziane, co planowano wykorzystywać m.in. w energetyce, budownictwie, przemyśle samochodowym i medycznym. Światowe koncerny i instytuty badawcze wydają dziesiątki milionów pracując nad obniżeniem kosztów oraz masowym zastosowaniem grafenu, do czego jednak wciąż jest daleko.

źródło: Puls Biznesu