Grafenowe baterie, ach te mityczne obiekty pożądania, o których tak często czytamy, a których nadal nie widać w naszych laptopach, smartphonach czy też tabletach. Obiecują ultra krótkie czasy ładowania oraz długie czasy pracy na baterii. Jak na razie do tej pory nikt nie zaprezentował komercyjnego rozwiązania, które wyszło by poza laboratorium R&D.
Jest jednak nadzieja, jako że kilka dni temu miała prezentacja pierwszego urządzenia, które można nazwać powerbankiem o pojemności 4800 mAh, czyli znacznie większego od standardowej baterii, jaką znajdziecie w nowoczesnych smartphonach (3000 mAh).
Zaprezentowany produkt został nazwany G-King i został zaprojektowany przez chińską firmę Chinese company Dongxu Optoelectronics.
Jak podaje producent, baterię można naładować w niecałe 15 minut i ma wytrzymać ponad 3500 cykli ładowania / rozładowania. Oba te parametry napawają optymizmem. Dodajmy do tego fakt, rozwijania się technologii ładowania bezprzewodowego i mamy w końcu świat bez martwienia się o to, czy naładowaliśmy baterię czy też nie.
Mam również nadzieję, że tego typu baterie trafią wkrótce do samochodów elektrycznych, takich jak np te od lider rynku Tesli lub Toyoty. Szczególne właściwości grafenu, które pozwalają na szybkie przyjmowanie i kumulowanie energii sprawdzą chyba najlepiej właśnie tam. Bo o ile zmiana czasu ładowania z 30-45 min na 15 min w smartphonach jest fajne to już zmiana czasu ładowania z kilku lub kilkunastu godzin w przypadku auta do godziny lub mniej , wydaje się być najbardziej ekscytującą perspektywą.
Naukowcy z Instytutu Technologii w Harbinie w Chinach oraz z Uniwersytetu Michigan w USA zademonstrowali poprawioną katodę (wzbogaconą o zredukowany tlenek grafenu) baterii LFP (lit-fosf-żelazo). Dzięki zastosowanej metodzie naukowcom udało stworzyć się kompozytową strukturę 3D o super powierzchni (główny powód stosowania grafenu w produkcji katod i anod to znacznie lepszy stosunek masy do rozmiaru).
LFP to ulepszona wersja Li-Ion dla zastosowań wysokoprądowych takich jak np. samochody, elektronarzędzia i inne. Nowy akumulator cehcuje się wysokim prądem rozładowania, brakiem zagrożenia związanego z wybuchem oraz długim cyklem życia. Na ten moment niestety gęstość energetyczna jest niższa niż odpowiednika Li-Ion.
Zaprezentowane badania pokazały jak naukowcy stworzyli kompozyt używając wzorca z niklowej pianki, która została pokryta wartwą tlenku grafenu. Następnie tlenek grafenu zredukował się co stworzyło syntezę nanocząsteczek LFP za pomocą prostej metody, która pozwala na użycie dużej ilości węglowego materiału.
Warstwowe modelowanie pozwoliło zespołowi naukowców na uzyskanie wymaganego kształtu o wymaganej sztywności, w tym przypadku, cechującego się wysokim przewodzeniem oraz wysoką twardością. To potwierdziło fakt, że baterie mogą być zarówno pojemne jak i wytrzymałe. Naukowcy przewidują, że nowa bateria znajdzie zastosowanie w „giętkiej” elektronice oraz wszędzie tam, gdzie potrzebne jest szybkie ładowanie.
Samochodowe baterie również będą ulepszone dzięki tej, nowej metodzie.
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:
Elon Musk postawił wszystko na elektryczne samochody przyszłości, dlatego wie dobrze, że Tesla musi być liderem w bateriach samochodowych. Jedną z najbardziej obiecującyhc technologii jest grafenowa anoda, która może czterokrotnie zwiększyć pojemność litowo-jonowych baterii.
Jak podaje agencja newsowa China’s Xinhua, Tesla pracuje nad baterią, która ma podwoić ( z 250 do 500 mil) zasięg jaki oferuje obecny model S od Tesli. Informacje wydają się prawdziwe, ponieważ całkiem niedawno takie właśnie zapewnienia przekazywał CEO firmy Elon Musk. Dodał on jednak, że taki ruch firma zrobi tylko wtedy, gdy będzie miało to sens ekonomiczny.
Grafen może w reszcie stać się zbawcą zasięgu jaki oferują samochody elektryczne. Szczególnie, że technologia oparta o niego jest rozwijana od dłuższego czasu. Poza zasięgiem pojawia się kolejny bardzo ważny plus tej technologii, jest nim czas ładowania.
Może w końcu uda się chociaż w pewnym zakresie zbliżyć czas ładowania samochodu elektryczne do czasu jaki obecnie spędzamy na stacji benzynowej. Pierwsza firma, która osiągnie taki czas, na pewno odniesie wielki sukces w świecie pojazdów napędzanych prądem. Tesla ma nadzieję, że ich 5 miliardowa inwestycja w Gigafatory (departament zajmujący się bateriami) będzie pierwsza i wygra wyścig z konkurencją.
Tesla model S z zasięgiem 500 mil czyli 800 km była by pierwszy autem w pełni elektrycznym, który wyeliminował by niepewność kierowców co do zasięgu swojego ukochanego pojazdu. Jak wszystko co nowe tak i w tym przypadku, firma ostrzega, że pierwsze modele o takim zasięgu nie będą tanie. Mówi się o 6 cyfrowej kwocie …
Jak podaje firma, 160 km to średni zasięg potrzebny do zwykłego poruszania się do pracy i po mieście. 800 km zatem znacząco poprawi sytuację wszystkich fanów elektrycznych samochodów. Nie pozostaje nic innego jak trzymać kciuki za Teslę, aby pierwsza grafenowa bateria ujrzała jak najszybciej światło dzienne, a następnie zaczęła szybko tanieć …
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 …
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.
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.
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 hamulców.
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 super kondensatorów, 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.
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 super kondensator 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 wersji 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 super kondensator może pomieścić w sobie.
Kannappan i przyjaciele zmierzyli wydajność ich super kondensatora 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 super kondensator 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.
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.
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.
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.
