Grafen, nazywany często „materiałem przyszłości”, znajduje coraz szersze zastosowanie w technologii baterii i akumulatorów, oferując rozwiązania, które mogą zrewolucjonizować różne sektory gospodarki – od motoryzacji po elektronikę użytkową.
Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań grafenu jest jego wykorzystanie w bateriach litowo-jonowych, które obecnie dominują na rynku. Naukowcy z Caltech i JPL opracowali metodę pokrywania katod baterii litowo-jonowych grafenem, co może znacząco wydłużyć żywotność i poprawić wydajność tych powszechnie stosowanych akumulatorów. Ta innowacja może przynieść korzyści milionom użytkowników smartfonów, laptopów i innych urządzeń elektronicznych, oferując dłuższy czas pracy na jednym ładowaniu i większą liczbę cykli ładowania.
W sektorze motoryzacyjnym grafen może odegrać kluczową rolę w rozwoju pojazdów elektrycznych. Głównym wyzwaniem dla producentów samochodów elektrycznych jest zwiększenie zasięgu pojazdów przy jednoczesnym skróceniu czasu ładowania. Baterie grafenowe, dzięki swojej zdolności do szybkiego ładowania i wysokiej gęstości energii, mogą stanowić odpowiedź na te wyzwania.
Szczególnie interesującym kierunkiem badań jest wykorzystanie grafenu w akumulatorach niklowo-żelazowych, technologii opracowanej przez Thomasa Alvę Edisona około 1900 roku. Naukowcy ze Stanforda, przy wsparciu firmy Intel, stworzyli prototyp akumulatora, który można naładować w ciągu zaledwie dwóch minut i w pełni rozładować w ciągu 30 sekund. Osiągnięto to poprzez wykorzystanie nanokryształów tlenku żelaza osadzonych na warstwie grafenu jako anody oraz nanorurek węglowych z nanokryształami wodorotlenku niklu jako katody.
Grafen znajduje również zastosowanie w superkondensatorach, które mogą gromadzić i uwalniać energię znacznie szybciej niż tradycyjne baterie. Superkondensatory grafenowe charakteryzują się wysoką gęstością energii, długą żywotnością i błyskawicznym ładowaniem, co czyni je idealnymi do zastosowań wymagających szybkiego dostarczania dużych ilości energii.
W dziedzinie elektroniki użytkowej grafen może przyczynić się do rozwoju elastycznych urządzeń. Panasonic już w 2016 roku zaprezentował małą, elastyczną baterię opartą na grafenie, która może być zginana bez utraty funkcjonalności. Ta technologia otwiera drogę do tworzenia zginanej i składanej elektroniki, która nie będzie ograniczona sztywnością tradycyjnych źródeł zasilania.
Interesującym zastosowaniem grafenu jest również jego wykorzystanie w technologii baterii przepływowych. Amerykański start-up Salgenx opracował system magazynowania energii w formie przepływowej baterii wykorzystującej słoną wodę jako elektrolit, który jako produkt uboczny generuje grafen. Ta innowacja może znacząco obniżyć koszty produkcji grafenu, czyniąc go bardziej dostępnym dla różnych zastosowań.
Warto również wspomnieć o potencjale grafenu w poprawie bezpieczeństwa baterii. Folie grafenowe opracowane przez naukowców z Uniwersytetu Swansea, Uniwersytetu w Wuhan i Uniwersytetu w Shenzhen wykazują wyjątkową przewodność cieplną, co umożliwia efektywne odprowadzanie ciepła z akumulatorów i zapobiega przegrzewaniu się, które może prowadzić do pożarów czy wybuchów.
Mimo licznych zalet, wdrożenie grafenu w komercyjnych produktach wciąż napotyka na wyzwania, głównie związane z kosztami produkcji i skalowalnością. Jednak intensywne badania i rosnące inwestycje w tę technologię sugerują, że w najbliższych latach możemy spodziewać się coraz szerszego zastosowania grafenu w różnych typach baterii i akumulatorów.
1.1 Wprowadzenie do grafenu i technologii baterii:Grafen, odkryty na początku XXI wieku, to dwuwymiarowa alotropowa forma węgla, składająca się z pojedynczej warstwy atomów ułożonych w heksagonalną sieć krystaliczną. Materiał ten charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, w tym niezwykle wysokim przewodnictwem elektrycznym, które jest ponad 200 razy większe niż miedzi 1, doskonałym przewodnictwem cieplnym, dziesięciokrotnie przewyższającym miedź 1, oraz imponującą wytrzymałością mechaniczną, z wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą 130 GPa 1 2. Te unikalne cechy sprawiają, że grafen jest obiecującym materiałem do zastosowań w wielu dziedzinach, w tym w technologii baterii. Przemysł motoryzacyjny przechodzi znaczącą transformację w kierunku elektryfikacji, a hybrydowe pojazdy elektryczne typu plug-in (PHEV) stanowią kluczowe ogniwo w tej ewolucji. PHEV łączą zalety napędu elektrycznego z elastycznością silnika spalinowego, oferując możliwość jazdy na krótkich dystansach w trybie bezemisyjnym oraz pokonywania dłuższych tras bez obawy o zasięg 3. W związku z tym istnieje ciągłe zapotrzebowanie na udoskonalanie technologii baterii stosowanych w PHEV, aby zwiększyć ich zasięg elektryczny, skrócić czas ładowania i poprawić ogólną wydajność. Właśnie w tym kontekście pojawia się zainteresowanie potencjalnym zastosowaniem grafenu.
1.2 Cel raportu:Niniejszy raport ma na celu dogłębną analizę perspektyw zastosowania pakietów bateryjnych opartych na grafenie w hybrydowych pojazdach elektrycznych typu plug-in oferowanych przez wiodących producentów samochodów: Toyotę, Kia/Hyundai, Teslę, BYD i Chery, w roku 2025. Raport zbada aktualny stan rozwoju technologii baterii grafenowych, plany poszczególnych producentów dotyczące ich wdrożenia, potencjalne zalety i wady takiego rozwiązania, wyzwania stojące na drodze do masowego wdrożenia, istnienie jakichkolwiek prototypów oraz opinie ekspertów dotyczące harmonogramów komercjalizacji. Ostatecznie raport oceni prawdopodobieństwo pojawienia się pakietów bateryjnych opartych na grafenie w hybrydach typu plug-in wymienionych marek w roku 2025.
2. Aktualny stan technologii baterii grafenowych
2.1 Status rozwoju i komercjalizacji:Technologia baterii grafenowych przeżywa dynamiczny okres rozwoju, napędzany znaczącymi inwestycjami ze strony rządów, instytucji badawczych oraz sektora prywatnego 3. Inicjatywy takie jak europejski program Graphene Flagship odgrywają kluczową rolę w przyspieszaniu innowacji i komercjalizacji materiałów opartych na grafenie 3. Chociaż większość zastosowań grafenu w bateriach jest nadal w fazie badań i rozwoju, na rynku pojawiły się już pierwsze produkty wykorzystujące ten materiał, takie jak seria baterii kwasowo-ołowiowych z grafenem firmy Ipower Batteries 3. Niemniej jednak, w kontekście wymagających aplikacji, takich jak baterie do PHEV, które muszą charakteryzować się wysoką gęstością energii i długą żywotnością, komercjalizacja baterii grafenowych znajduje się prawdopodobnie na wcześniejszym etapie. Badania koncentrują się głównie na ulepszaniu istniejącej technologii litowo-jonowej za pomocą grafenu lub na opracowywaniu całkowicie nowych chemii opartych na tym materiale. Prognozy rynkowe wskazują na znaczący wzrost globalnego rynku baterii grafenowych, z przewidywanymi przychodami sięgającymi nawet 1,9 miliarda USD do roku 2034 (Fact.MR 3) lub 2,125,06 miliona USD do roku 2033 (AstuteAnalytica 1). Jednakże, szacowana wartość rynku w roku 2024 wynosiła od 170 do 186 milionów USD (Grandview Research 4, Straits Research 5), co sugeruje, że rynek ten jest wciąż w początkowej fazie rozwoju.
2.2 Rodzaje baterii ulepszonych grafenem:Obecnie prowadzone są intensywne badania nad różnymi rodzajami baterii, w których wykorzystuje się grafen w celu poprawy ich parametrów. Jednym z obiecujących kierunków są baterie grafenowo-litowo-jonowe, w których grafen jest dodawany do elektrod (anody lub katody) w celu zwiększenia przewodnictwa elektrycznego. Takie rozwiązanie może prowadzić do uzyskania wyższej gęstości energii, skrócenia czasu ładowania oraz wydłużenia żywotności baterii 3. Na przykład, badania przeprowadzone w Caltech wykazały, że pokrywanie katod baterii litowo-jonowych grafenem może znacząco poprawić ich wydajność i trwałość 7. Kolejnym obszarem badań są baterie litowo-siarkowe z grafenem, które wykazują potencjał do osiągnięcia znacznie wyższej gęstości energii niż tradycyjne baterie litowo-jonowe, co jest kluczowe dla zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych. Grafen jest w tym przypadku wykorzystywany do stabilizacji elektrod siarkowych i poprawy przewodnictwa oraz żywotności cyklicznej 3. Rozwijana jest również technologia baterii grafenowo-aluminiowych, która łączy przewodnictwo grafenu z wydajnością technologii aluminiowo-jonowej, oferując potencjał do bardzo szybkiego ładowania (w ciągu kilku minut) i zwiększonego bezpieczeństwa w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi 3. Firma GMG aktywnie pracuje nad rozwojem tego typu baterii 13. Ostatnią grupą są superkondensatory (ultrakondensatory) oparte na grafenie, które wykorzystują dużą powierzchnię grafenu do szybkiego ładowania i rozładowywania oraz osiągania wysokiej mocy wyjściowej. Chociaż charakteryzują się niższą gęstością energii niż baterie, są idealne do zastosowań wymagających szybkich impulsów energii 2.
2.3 Kluczowi gracze w technologii baterii grafenowych:W badania i rozwój technologii baterii grafenowych aktywnie zaangażowane są zarówno duże, uznane firmy z branży bateryjnej, jak i wyspecjalizowane przedsiębiorstwa zajmujące się grafenem oraz instytucje badawcze. Do wiodących graczy należą między innymi Samsung SDI i LG Chem, które koncentrują się na wykorzystaniu grafenu do ulepszania materiałów elektrodowych 3. Firmy takie jak Nanotech Energy specjalizują się w opracowywaniu baterii z dodatkiem grafenu do pojazdów elektrycznych 3, a Graphene Manufacturing Group (GMG) skupia się na rozwoju baterii grafenowo-aluminiowych 13. Istotną rolę odgrywają również instytucje badawcze, takie jak Caltech, prowadzący badania nad powłokami grafenowymi dla katod 7, oraz Swansea University, pracujący nad skalowalną produkcją grafenu do kolektorów prądu 21.
3. Perspektywy zastosowania baterii grafenowych w PHEV w 2025 roku u poszczególnych producentów
3.1 Toyota:Analiza dostępnych informacji dotyczących modeli hybrydowych typu plug-in Toyoty na rok 2025 22 wskazuje, że potwierdzone modele, takie jak Prius Plug-in Hybrid (wcześniej znany jako Prius Prime 29) oraz RAV4 Plug-in Hybrid (dawniej RAV4 Prime 25), są wyposażone w baterie litowo-jonowe. Na przykład, Prius Plug-in Hybrid 2025 wykorzystuje baterię litowo-jonową o pojemności 13,6 kWh 24, a RAV4 Plug-in Hybrid 2025 baterię o pojemności 18,1 kWh 26. Przegląd informacji na temat zaawansowanych technologii baterii rozwijanych przez Toyotę 37 ujawnia, że firma koncentruje się głównie na rozwoju i komercjalizacji baterii półprzewodnikowych, z planowanymi datami wprowadzenia na rynek około lat 2027-2030 38. W dostarczonych materiałach badawczych nie ma żadnych wzmianek o planach Toyoty dotyczących integracji baterii grafenowych w ich modelach PHEV na rok 2025.
3.2 Kia/Hyundai:Analiza fragmentów dotyczących modeli hybrydowych typu plug-in Kia i Hyundai na rok 2025 45 wskazuje, że ich modele PHEV na rok 2025, w tym Hyundai Tucson Plug-in Hybrid 45, Kia Sorento Plug-in Hybrid 49 oraz Kia Niro Plug-in Hybrid 51, wykorzystują technologię baterii litowo-jonowych lub litowo-polimerowych. Na przykład, Hyundai Tucson PHEV posiada baterię litowo-jonową o pojemności 13,8 kWh 47, Kia Sorento PHEV baterię litowo-jonową o pojemności 11,8 kWh 49, a Kia Niro PHEV baterię litowo-jonową o pojemności 11,1 kWh 51. Przegląd informacji dotyczących zaawansowanych technologii baterii rozwijanych przez Kia i Hyundai 59 ujawnia, że obie firmy również koncentrują się na rozwoju baterii półprzewodnikowych, z planowanymi datami komercjalizacji około roku 2030 lub później 61. Współpraca z Samsung SDI dotyczy rozwoju wysokowydajnych baterii specjalnie dla robotów, a niekoniecznie baterii grafenowych dla samochodowych PHEV w roku 2025 59.
3.3 Tesla:Analiza fragmentów dotyczących modeli Tesli na rok 2025 68 potwierdza, że obecna i planowana oferta pojazdów Tesli na rok 2025 składa się głównie z pojazdów w pełni elektrycznych (BEV), takich jak Model 3 69 i Model Y 68, bez żadnych wskazówek dotyczących planowanych modeli hybrydowych typu plug-in na rok 2025. W tych modelach stosowana jest głównie technologia baterii litowo-jonowych, w tym niklowo-kobaltowo-aluminiowych (NCA) oraz litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP) 71. Przegląd informacji dotyczących potencjalnego wykorzystania baterii grafenowych przez Teslę w którymkolwiek z ich modeli na rok 2025 2 ujawnia dyskusje na temat potencjalnych przyszłych technologii baterii dla Tesli, w tym bezlitowych (prawdopodobnie aluminiowo-jonowych 15) oraz postępów w ich istniejących programach baterii litowo-jonowych i półprzewodnikowych 75. Chociaż grafen jest wspominany w kontekście jego potencjalnych zalet i przeszłych plotek 2, nie ma konkretnych dowodów ani ostatnich ogłoszeń sugerujących, że Tesla planuje wdrożyć baterie grafenowe w którymkolwiek ze swoich pojazdów na rok 2025, które są głównie BEV.
3.4 BYD:Analiza fragmentów dotyczących modeli BYD na rok 2025 28 potwierdza, że BYD oferuje szereg modeli hybrydowych typu plug-in na rok modelowy 2025, takich jak Qin Plus DM-i 79 i Sealion 6 81. Modele te wykorzystują opatentowane przez BYD baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) typu „Blade” 80. Przegląd informacji dotyczących potencjalnego wykorzystania baterii grafenowych w ich modelach PHEV na rok 2025 2 ujawnia, że BYD aktywnie rozwija technologię baterii półprzewodnikowych, z planami „demonstracyjnego użytku” w pojazdach około roku 2027 i dążeniem do masowej adopcji do roku 2030 91. Chociaż w jednym fragmencie krótko wspomniano o grafenie jako technologii, która w przyszłości potencjalnie „zmiażdży wszystko” w kontekście przewyższenia baterii litowych 94, nie ma żadnych wskazówek, że BYD ma konkretne plany wdrożenia baterii grafenowych w swojej ofercie PHEV na rok 2025. Ich bezpośrednie skupienie w zakresie zaawansowanej technologii baterii wydaje się być skierowane na baterie półprzewodnikowe i dalszy rozwój technologii baterii LFP typu „Blade” 92.
3.5 Chery:Analiza fragmentów dotyczących modeli Chery na rok 2025 86 pokazuje, że Chery oferuje kilka modeli hybrydowych typu plug-in na rok 2025, w tym Tiggo 9 PHEV 86, Jetour Shanhai T1 101 i potencjalnie Tiggo 7 Pro PHEV oraz Tiggo 8 Pro PHEV 104. Chemia baterii wymieniona dla tych modeli to głównie litowo-żelazowo-fosforanowa lub litowo-ternarna 101. Przegląd informacji dotyczących potencjalnego wykorzystania baterii grafenowych w ich modelach PHEV na rok 2025 2 ujawnia silny nacisk na technologię baterii półprzewodnikowych w przyszłych planach Chery, przy czym firma ogłosiła zamiar wprowadzenia pojazdów z bateriami ASSB już w 2026 roku i rozpoczęcia masowej produkcji w 2027 roku 96. Chery dąży również do osiągnięcia gęstości energii baterii na poziomie 600 Wh/kg do końca 2025 roku 115, co może wiązać się z wykorzystaniem zaawansowanych materiałów, ale nie potwierdza wprost grafenu. Ponadto Chery nawiązało współpracę z Nio w zakresie technologii wymiany baterii 114, która przynajmniej w 2025 roku prawdopodobnie będzie wykorzystywać istniejącą technologię baterii litowo-jonowych. W dostarczonych fragmentach nie ma wzmianki o konkretnych planach dotyczących integracji baterii grafenowych w modelach PHEV Chery na rok 2025.
4. Zalety i wady stosowania baterii grafenowych w hybrydach typu plug-in
4.1 Potencjalne zalety:Baterie grafenowe oferują szereg potencjalnych korzyści dla hybryd typu plug-in. Jedną z kluczowych zalet jest krótszy czas ładowania w porównaniu z tradycyjnymi bateriami litowo-jonowymi, dzięki szybszemu transportowi jonów w strukturze grafenu 3. Ponadto, grafen może przyczynić się do zwiększenia gęstości energii, co potencjalnie prowadzi do dłuższego zasięgu elektrycznego w PHEV 3. Wysoka przewodność cieplna grafenu może również skutkować lepszym zarządzaniem termicznym i zwiększonym bezpieczeństwem, zmniejszając ryzyko przegrzania baterii 2. Istnieje również potencjał na dłuższą żywotność i zwiększoną liczbę cykli ładowania w porównaniu z konwencjonalnymi bateriami 2. Możliwość tworzenia lekkich i kompaktowych konstrukcji baterii grafenowych może przyczynić się do ogólnej poprawy efektywności pojazdu 2. Wreszcie, produkcja grafenu staje się coraz bardziej zrównoważona i przyjazna dla środowiska, a zwiększona efektywność energetyczna baterii grafenowych może prowadzić do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla podczas eksploatacji pojazdu 3.
4.2 Potencjalne wady:Pomimo obiecujących zalet, istnieją również potencjalne wady związane z zastosowaniem baterii grafenowych w hybrydach typu plug-in. Jedną z głównych przeszkód są wysokie koszty produkcji wysokiej jakości grafenu na dużą skalę, co może czynić baterie grafenowe droższymi 1. Istnieją również wyzwania związane ze skalowaniem procesów produkcyjnych do poziomu wymaganego przez przemysł motoryzacyjny 3. Integracja baterii grafenowych z istniejącymi technologiami baterii i infrastrukturą produkcyjną może również stanowić problem 3. W niektórych typach baterii grafenowych mogą występować problemy z retencją pojemności i wydajnością cykliczną 14. Ponadto, brakuje ustalonych technik masowej produkcji zapewniających spójne i niezawodne baterie grafenowe o wysokiej wydajności 3.
5. Wyzwania związane z powszechnym wdrożeniem w przemyśle motoryzacyjnym
5.1 Opłacalna produkcja na dużą skalę:Kluczowym wyzwaniem dla powszechnego wdrożenia baterii grafenowych w przemyśle motoryzacyjnym jest osiągnięcie opłacalnej produkcji na dużą skalę. Wytwarzanie wysokiej jakości grafenu w ilościach wymaganych do produkcji baterii samochodowych jest procesem złożonym i kosztownym 1. Konieczne są dalsze postępy w technikach wytwarzania grafenu, aby znacząco obniżyć koszty produkcji 3. Osiągnięcie parytetu kosztów z istniejącą produkcją baterii litowo-jonowych jest kluczowym warunkiem powszechnego wdrożenia, a obecne prognozy sugerują, że może to nastąpić dopiero w pierwszej połowie lat 30. XXI wieku 123.
5.2 Standaryzacja i kontrola jakości:Kolejnym istotnym wyzwaniem jest brak jednolitych standardów branżowych dotyczących wydajności, bezpieczeństwa i procesów produkcyjnych baterii grafenowych. Zapewnienie spójnej jakości i wydajności w produkcji na dużą skalę jest również znaczącym zadaniem 3. Brak standaryzacji może prowadzić do niepewności i utrudniać integrację nowej technologii, takiej jak grafen, w wysoce regulowanym przemyśle motoryzacyjnym.
5.3 Integracja z istniejącymi procesami produkcyjnymi:Wdrożenie baterii grafenowych może wymagać znaczących modyfikacji istniejących linii produkcyjnych baterii i pojazdów 3. Kompatybilność z obecnymi technologiami baterii i infrastrukturą może również stanowić problem 3. Przebudowa istniejących fabryk lub budowa całkowicie nowych zakładów do produkcji baterii grafenowych wiązałaby się ze znacznymi inwestycjami i czasem, co sprawia, że szybkie wdrożenie do roku 2025 jest mało prawdopodobne dla większości głównych producentów.
6. Istniejące prototypy i demonstracje
6.1 Prototypy specyficzne dla producentów:Przegląd dostarczonych materiałów badawczych nie ujawnia żadnych wzmianek o prototypach hybrydowych typu plug-in z bateriami grafenowymi zaprezentowanych przez Toyotę, Kia/Hyundai, Teslę, BYD lub Chery. Prototypy i demonstracje tych producentów w zakresie zaawansowanych technologii baterii wydają się koncentrować na bateriach półprzewodnikowych 38 lub na ulepszeniach istniejącej technologii litowo-jonowej. Brak publicznie dostępnych informacji o prototypach baterii grafenowych w PHEV od tych producentów silnie sugeruje, że technologia ta nie jest jeszcze wystarczająco dojrzała do bliskoterminowych zastosowań komercyjnych w ich modelach na rok 2025.
6.2 Inne prototypy i demonstracje:W literaturze naukowej i branżowej można znaleźć przykłady prototypów baterii grafenowych w pojazdach elektrycznych opracowywanych przez inne firmy lub instytucje badawcze 9. Chociaż postęp jest widoczny, te prototypy często znajdują się na wczesnych etapach rozwoju lub są tworzone przez mniejsze podmioty, co niekoniecznie przekłada się na natychmiastową gotowość do masowej produkcji przez dużych producentów samochodów w kontekście PHEV. Przejście od prototypu do komercyjnego wdrożenia na dużą skalę w wymagającym segmencie PHEV do roku 2025 pozostaje znaczącym wyzwaniem.
7. Analiza ekspertów i perspektywy na przyszłość
7.1 Opinie ekspertów na temat baterii grafenowych w motoryzacji:Opinie ekspertów co do potencjału baterii grafenowych w przemyśle motoryzacyjnym są generalnie pozytywne w perspektywie długoterminowej, podkreślając ich obiecujące właściwości w zakresie poprawy wydajności pojazdów elektrycznych 3. Jednakże, eksperci zwracają również uwagę na bieżące wyzwania związane z kosztami i skalowalnością produkcji jako główne przeszkody dla wdrożenia tej technologii w najbliższej przyszłości 3. Panuje ogólna zgoda co do transformacyjnego potencjału grafenu, ale jednocześnie podkreśla się, że przed jego powszechnym komercyjnym zastosowaniem w sektorze motoryzacyjnym, szczególnie w wymagających aplikacjach, takich jak PHEV, konieczne są znaczące przełomy technologiczne i w zakresie produkcji.
7.2 Harmonogramy komercyjnego wdrożenia:Prognozy ekspertów dotyczące harmonogramu komercjalizacji baterii grafenowych w przemyśle motoryzacyjnym wskazują, że powszechne wdrożenie jest mało prawdopodobne w horyzoncie czasowym roku 2025. Wiele źródeł sugeruje, że bardziej realistyczny termin to wczesne lub środkowe lata 30. XXI wieku, kiedy to oczekuje się osiągnięcia parytetu kosztów z bateriami litowo-jonowymi 3. Należy to zestawić z bardziej agresywnymi harmonogramami niektórych producentów, takich jak Chery, w odniesieniu do baterii półprzewodnikowych 96. Przeważający konsensus ekspertów wskazuje, że chociaż rynek baterii grafenowych ma znacząco rosnąć, powszechne wdrożenie w samochodowych PHEV przez głównych producentów jest mało prawdopodobne w roku 2025. Inne zaawansowane technologie baterii, takie jak baterie półprzewodnikowe, wydają się być na bliższej ścieżce komercjalizacji dla niektórych producentów.
8. Wnioski
8.1 Podsumowanie ustaleń dla każdego producenta:
Toyota: Integracja baterii grafenowych w modelach PHEV Toyoty na rok 2025 jest wysoce nieprawdopodobna. Firma koncentruje się na technologii litowo-jonowej oraz na przyszłych bateriach półprzewodnikowych.
Kia/Hyundai: Podobnie, nie oczekuje się zastosowania baterii grafenowych w modelach PHEV Kia i Hyundai w roku 2025. Ich wysiłki w zakresie zaawansowanych technologii baterii są skierowane na baterie półprzewodnikowe.
Tesla: Oferta Tesli na rok 2025 składa się z pojazdów w pełni elektrycznych (BEV). Nie ma żadnych wskazówek dotyczących planów wdrożenia baterii grafenowych w potencjalnych przyszłych modelach PHEV w tym okresie.
BYD: Modele PHEV BYD na rok 2025 prawdopodobnie będą wyposażone w ich baterie LFP typu „Blade”. Baterie półprzewodnikowe stanowią główny obszar zainteresowania firmy w zakresie technologii nowej generacji, co sprawia, że wdrożenie grafenu w roku 2025 jest mało prawdopodobne.
Chery: Chociaż Chery agresywnie rozwija zaawansowane technologie baterii, ich nacisk w najbliższej przyszłości kładziony jest na baterie półprzewodnikowe, co czyni integrację baterii grafenowych w ich modelach PHEV na rok 2025 mało prawdopodobną.
8.2 Ogólna ocena perspektyw baterii grafenowych w PHEV w 2025 roku:Ogólne prawdopodobieństwo pojawienia się pakietów bateryjnych opartych na grafenie w hybrydach typu plug-in wymienionych marek w roku 2025 jest bardzo niskie. Wynika to głównie z wyzwań związanych z opłacalną masową produkcją grafenu o wysokiej jakości oraz braku konkretnych ogłoszeń lub prototypów od wymienionych producentów wskazujących na takie plany w tym horyzoncie czasowym.
8.3 Szersze perspektywy czasowe potencjalnego wdrożenia:Chociaż rok 2025 wydaje się zbyt wczesny na powszechne wdrożenie baterii grafenowych w PHEV przez głównych producentów, technologia ta nadal wykazuje obiecujący potencjał na przyszłość. Dalsze badania i rozwój, a przede wszystkim przełomy w zakresie produkcji i obniżenia kosztów, mogą sprawić, że baterie grafenowe odegrają znaczącą rolę w przemyśle motoryzacyjnym w drugiej połowie lat 20. lub w latach 30. XXI wieku.
Tabela 1: Specyfikacje baterii potwierdzonych modeli hybrydowych typu plug-in na rok 2025
Rynek baterii grafenowych przeżywa dynamiczny rozwój, a według najnowszych prognoz jego wartość ma osiągnąć imponujące 2174,0 mln USD do 2034 roku, przy rocznym tempie wzrostu (CAGR) wynoszącym 27,6%. Te liczby jasno wskazują na rosnące zainteresowanie i inwestycje w technologię, która może zrewolucjonizować sposób magazynowania energii.
Grafen, jednowarstwowy materiał węglowy o strukturze plastra miodu, posiada szereg unikalnych właściwości, które czynią go idealnym kandydatem do zastosowania w bateriach. Charakteryzuje się wyjątkowo wysoką przewodnością elektryczną, przewyższającą miedź i srebro, dużą powierzchnią właściwą, która umożliwia przechowywanie większej ilości energii, oraz niezwykłą wytrzymałością mechaniczną przy jednoczesnej elastyczności. Ponadto, grafen zapewnia szybki transfer ładunku i wykazuje stabilność termiczną i chemiczną w szerokim zakresie warunków.
Historia komercjalizacji baterii grafenowych sięga 2016 roku, kiedy to chińska firma Dongxu zaprezentowała pierwszą grafenową baterię o nazwie G-King. To urządzenie mogło być w pełni naładowane w zaledwie 13-15 minut i wytrzymywało około 3500 cykli ładowania i rozładowywania. Był to jednak przenośny power bank, a nie rozwiązanie zintegrowane z urządzeniami elektronicznymi czy pojazdami elektrycznymi.
Od tego czasu technologia znacząco się rozwinęła. Samsung opracował metodę masowej produkcji grafenu w formie kulek 3D, przypominającą produkcję popcornu. Te kulki grafenowe zostały wykorzystane do stworzenia powierzchni ochronnej anody i materiału katody w bateriach litowo-jonowych, co przyczyniło się do zwiększenia pojemności baterii, skrócenia czasu ładowania i poprawy stabilności temperaturowej.
Również Panasonic włączył się w wyścig technologiczny, opracowując małą, elastyczną baterię opartą na grafenie, którą zaprezentowano na targach CEATEC JAPAN 2016. Ta innowacja otworzyła drogę do rozwoju elastycznych urządzeń elektronicznych, które mogą być zginane bez ryzyka uszkodzenia źródła zasilania.
Jednym z głównych wyzwań związanych z komercjalizacją baterii grafenowych pozostaje koszt produkcji wysokiej jakości grafenu na skalę przemysłową. Choć opracowano już metody masowej produkcji, koszt wytwarzania grafenu wciąż stanowi istotną barierę dla szerokiego wdrożenia tej technologii.
Interesującym rozwiązaniem tego problemu może być technologia opracowana przez amerykański start-up Salgenx. Firma ta stworzyła system magazynowania energii w formie przepływowej baterii wykorzystującej słoną wodę jako elektrolit, który jako produkt uboczny generuje grafen. W trakcie cyklu ładowania, trwającego zwykle od 4 do 6 godzin, bateria może wytworzyć nawet 50 g grafenu na godzinę. Szacowany koszt produkcji wynosi zaledwie 1,25 dolara za gram, co jest wartością wielokrotnie niższą od obecnych cen rynkowych wahających się od 100 do 400 dolarów za gram.
Perspektywy rozwoju rynku baterii grafenowych są obiecujące. Wraz z postępem technologicznym i spadkiem kosztów produkcji, można oczekiwać coraz szerszego zastosowania grafenu w różnych typach baterii i akumulatorów. Szczególnie interesujące wydają się zastosowania w pojazdach elektrycznych, gdzie szybkie ładowanie i wysoka gęstość energii są kluczowymi parametrami.
Warto również zauważyć rosnące zainteresowanie grafenem ze strony dużych producentów samochodów elektrycznych. Spekuluje się nawet, że Tesla może potajemnie eksperymentować z akumulatorami grafenowymi, co mogłoby zrewolucjonizować rynek pojazdów elektrycznych.
Australijska firma Graphene Manufacturing Group (GMG) kontynuuje prace nad rewolucyjną technologią baterii grafenowo-aluminiowych (G+AI Battery), która może stanowić przełom w dziedzinie magazynowania energii. Współpracując z Battery Innovation Center w Indianie, GMG dąży do przyspieszenia rozwoju i komercjalizacji tej obiecującej technologii.
Baterie grafenowo-aluminiowe wykorzystują porowaty grafen, w którym i wokół którego rozprowadzono cząsteczki aluminium w procesie produkcyjnym. Ta innowacyjna konstrukcja oferuje szereg zalet w porównaniu do powszechnie stosowanych ogniw litowo-jonowych.
Jedną z najważniejszych cech baterii grafenowo-aluminiowych jest ich zdolność do ultraszybkiego ładowania. Dzięki wyjątkowym właściwościom grafenu, który umożliwia szybki transfer ładunku, czas ładowania może zostać skrócony do zaledwie kilku minut. Jest to ogromna zaleta w porównaniu do konwencjonalnych akumulatorów, których pełne naładowanie zajmuje godziny.
Kolejną zaletą jest zwiększona żywotność ogniw. Podczas gdy tradycyjne baterie litowo-jonowe wytrzymują zwykle od 500 do 1000 cykli ładowania i rozładowywania, baterie grafenowo-aluminiowe mogą oferować znacznie dłuższą żywotność, co przekłada się na mniejszą ilość odpadów elektronicznych i niższe koszty eksploatacji.
Warto również wspomnieć o aspekcie ekologicznym. Aluminium jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, a jego wydobycie i przetwarzanie jest mniej szkodliwe dla środowiska niż w przypadku litu czy kobaltu, które są kluczowymi składnikami konwencjonalnych baterii. Ponadto, aluminium jest łatwiejsze do recyklingu, co dodatkowo zmniejsza ślad ekologiczny.
Największym wyzwaniem związanym z bateriami grafenowo-aluminiowymi jest jednak ich niższa gęstość energii w porównaniu do ogniw litowo-jonowych. Według dostępnych danych, gęstość energii ogniw na bazie aluminium wynosi około 150-160 Wh/kg, co jest wartością o około 60% niższą niż w przypadku najlepszych ogniw litowo-jonowych. Oznacza to, że przy tej samej wadze, bateria grafenowo-aluminiowa będzie przechowywać mniej energii.
Innym wyzwaniem jest koszt produkcji wysokiej jakości grafenu. Choć GMG twierdzi, że jest w stanie produkować grafen „w wysokiej jakości przy niskich kosztach i w skalowalnych ilościach”, szczegóły tego procesu nie są znane. Obecnie grafen kosztuje około 100 dolarów za gram, co stanowi istotną barierę dla masowej produkcji.
Mimo tych wyzwań, baterie grafenowo-aluminiowe mają ogromny potencjał, szczególnie w zastosowaniach, gdzie szybkie ładowanie i długa żywotność są ważniejsze niż maksymalna gęstość energii. Mogą one znaleźć zastosowanie w urządzeniach IoT, elektronice użytkowej, a nawet w niektórych typach pojazdów elektrycznych.
GMG kontynuuje prace nad udoskonaleniem tej technologii, a współpraca z Battery Innovation Center może przyspieszyć proces jej komercjalizacji. Jeśli uda się przezwyciężyć obecne ograniczenia, baterie grafenowo-aluminiowe mogą stanowić ważny element przyszłości magazynowania energii.
Przełomowe odkrycie naukowców z Uniwersytetu Swansea, Uniwersytetu w Wuhan oraz Uniwersytetu w Shenzhen może całkowicie odmienić postrzeganie bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych. Międzynarodowy zespół badawczy opracował innowacyjną folię grafenową, która wykazuje wyjątkowe właściwości przewodzenia ciepła – niemal dziesięciokrotnie wyższe niż w przypadku tradycyjnych kolektorów prądu wykonanych z miedzi czy aluminium.
Folie grafenowe są niezwykle elastyczne i odporne na uszkodzenia, zachowując swoją przewodność elektryczną nawet po 100 tysiącach zgięć. Co więcej, naukowcy zdołali wyprodukować folię o długości aż 200 metrów i grubości zaledwie 17 mikrometrów, co potwierdza możliwość produkcji na skalę przemysłową.
Główną zaletą nowej technologii jest znacząca poprawa zarządzania ciepłem w akumulatorach. Efektywne odprowadzanie ciepła zapobiega niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, który może prowadzić do pożarów czy wybuchów – zjawisk, które wciąż budzą obawy wśród użytkowników pojazdów elektrycznych i innych urządzeń zasilanych akumulatorami litowo-jonowymi.
Dr Jinlong Yang z Uniwersytetu w Shenzhen podkreśla, że opracowana folia cechuje się uporządkowaną strukturą i stanowi skuteczną barierę chroniącą przed tworzeniem się palnych gazów. To z kolei zapobiega przedostawaniu się tlenu do ogniw akumulatorów, co ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania awariom.
Zastosowanie folii grafenowych nie tylko zwiększa bezpieczeństwo, ale również poprawia wydajność akumulatorów. Testy wykazały zwiększenie gęstości energii oraz wydłużenie żywotności ogniw wyposażonych w nowe kolektory prądu.
Perspektywy zastosowania tej technologii są niezwykle szerokie. Poza oczywistym wykorzystaniem w pojazdach elektrycznych, folie grafenowe mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach elektronicznych codziennego użytku, magazynach energii oraz instalacjach wykorzystujących odnawialne źródła energii.
Co istotne, nowa metoda produkcji folii grafenowych umożliwia wytwarzanie materiałów o różnych grubościach, co dodatkowo poszerza spektrum możliwych zastosowań. Technologia ta może być wdrożona przy wykorzystaniu obecnie dostępnej infrastruktury, co znacząco ułatwi jej komercjalizację.
W obliczu rosnącego zapotrzebowania na wydajne i bezpieczne systemy magazynowania energii, odkrycie to może stanowić przełom, który przyspieszy rozwój elektromobilności i innych technologii opartych na akumulatorach litowo-jonowych.
Czy grafen zrewolucjonizuje rynek baterii do pojazdów elektrycznych (EV) do połowy lat 30. XXI wieku? Według nowej platformy analizy opartej na sztucznej inteligencji (AI), która przewiduje przełomy technologiczne na podstawie globalnych danych patentowych, to bardzo prawdopodobne.
Wraz z przyspieszeniem globalnej transformacji w kierunku elektryfikacji transportu, poszukiwanie idealnej baterii do EV – oferującej optymalną równowagę między kosztem, gęstością energii, bezpieczeństwem i zrównoważeniem środowiskowym – staje się coraz bardziej palące. Obecnie na rynku konkuruje kilkanaście różnych technologii baterii. Która z nich okaże się zwycięska? To pytanie warte biliony dolarów.
W najbliższym czasie tradycyjne baterie litowe prawdopodobnie utrzymają swoją dominującą pozycję, a baterie sodowe zaoferują tanią i ekologiczną alternatywę dla niektórych zastosowań, jak wynika z badań platformy analizy AI Focus. Jednak to dopiero pojawiające się baterie grafenowe i dual-ion mogą naprawdę zrewolucjonizować rynek w przyszłości.
Badania sugerują, że baterie grafenowe pojawią się na rynku na początku lub w połowie lat 30. XXI wieku, aby rzucić wyzwanie litowym odpowiednikom w wyścigu o koronę EV, gdy cena produkcji grafenu gwałtownie spadnie. Ten rozwój obiecuje nie tylko znacząco poprawić osiągi pojazdów elektrycznych, ale także przyczynić się do zwiększenia efektywności energetycznej i osiągnięcia celów redukcji emisji dwutlenku węgla. „Jeśli istnieje technologia baterii, na którą warto zwrócić uwagę, to jest to grafen” – mówi Jard van Ingen, dyrektor generalny i współzałożyciel Focus.
Młodzi Pretendenci
Focus analizuje obecny stan technologii baterii do EV i prognozuje, które z nich zdominują rynek w nadchodzących latach. Wykorzystując podejście inspirowane badaniami z Massachusetts Institute of Technology, platforma Focus przetwarza ogromne ilości globalnych danych patentowych w czasie rzeczywistym, używając trzech rodzajów AI: duże modele językowe prowadzą ciągłe badania globalnych archiwów danych patentowych w celu wyszukiwania technologii, oceniania i porównywania; wyszukiwanie wektorowe zapewnia informacje w czasie rzeczywistym o globalnej innowacji i krajobrazie technologicznym; a regresja wielowymiarowa oferuje analizę predykcyjną, identyfikując relacje między danymi a rzeczywistymi wynikami. Focus oblicza „Poziomy Gotowości Technologicznej” dla dojrzałości technologii baterii oraz „Tempo Poprawy Technologii”, aby mierzyć wzrost wydajności na dolar na rok dla różnych technologii baterii.
„W przypadku EV chodzi przede wszystkim o znalezienie idealnego punktu równowagi między gęstością energii, bezpieczeństwem, kosztem i zrównoważeniem” – mówi Kacper Górski, szef operacji Focus. „Każda z tych technologii wnosi coś unikalnego, a ich rozwój ukształtuje przyszłość elektromobilności. Kluczowe pytanie brzmi jednak: które z nich faktycznie rozwijają się szybko, a które są przereklamowane?”
Focus odkrył, że wszystkie technologie baterii litowych poprawiają się w podobnym tempie. Obecnie dominujące technologie, litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe i litowo-żelazowo-fosforanowe, poprawiają się rok do roku (YoY) odpowiednio o 30% i 36%. Baterie litowo-siarkowe poprawiają się o 30% YoY, a anody krzemowe o 32%, co oznacza, że prawdopodobnie nie zrewolucjonizują rynku – technologie naprawdę przełomowe mają tempo poprawy znacznie i konsekwentnie wyższe niż ich konkurenci. Podobnie, chociaż wiele napisano o potencjale stałych baterii litowych, Focus odkrył, że technologia ta poprawia się tylko o 31% YoY, co oznacza, że również nie zrewolucjonizuje obecnych liderów.
To samo dotyczy podobnie przereklamowanych baterii sodowych, które mają tempo poprawy 33% – co mieści się w granicach błędu pomiarowego baterii litowo-żelazowo-fosforanowych. Van Ingen wyjaśnia, że baterie sodowe mają stosunkowo skromną gęstość energii, co ogranicza zasięg, jaki mogą zaoferować pojazdy elektryczne bez zwiększania masy pojazdu. Byłyby jednak sensowne w przypadku stacjonarnego magazynowania energii, gdzie waga nie jest czynnikiem ograniczającym. „Jeśli potrzebujesz stosunkowo tanich baterii do zapotrzebowania sieci, baterie sodowe mają sens” – mówi. „Mogłyby nawet działać w tańszych pojazdach elektrycznych – naprawdę tanich, produkowanych masowo pojazdach przeznaczonych do krótkich dystansów. To stosunkowo szybko rozwijająca się technologia, ale nie zrewolucjonizuje całkowicie rynku.”
Grafenowe Baterie: Prawdziwy Przełom
To niektóre z bardziej obiecujących technologii baterii budzą największe emocje. Baterie magnezowo-siarkowe poprawiają się w tempie 24,4% YoY, baterie magnezowo-jonowe o 26%, baterie nanodrutowe o 35%, a baterie potasowo-jonowe o 36%. Jednak wszystkie te liczby bledną w porównaniu z bateriami grafenowymi, które poprawiają się o oszałamiające 48,8% YoY, lub bateriami dual-ion, które mogą pochwalić się tempem poprawy 48,5% YoY. „Ponieważ tempo poprawy baterii grafenowych i dual-ion jest znacznie i konsekwentnie wyższe niż w przypadku innych technologii baterii, można je uznać za przełomowe” – mówi van Ingen.
Jednak w bezpośrednim starciu między tymi dwiema technologiami Focus uważa, że baterie grafenowe mają większy potencjał, ponieważ badania są bardziej zaawansowane, a pierwiastek bardziej powszechny. Technologia ta oferuje ogromny skok w wydajności pojazdów elektrycznych, obiecując wysoką gęstość energii, zwiększoną żywotność cykliczną (liczba cykli ładowania i rozładowania, które bateria może wykonać przed utratą wydajności) i szybkie ładowanie. Jej główną wadą jest obecnie wysoki koszt, wynikający z zawrotnej ceny produkcji grafenu.
„Grafen to naprawdę podstawowy materiał pochodzący z dowolnego źródła węgla” – mówi van Ingen. „Materiał bazowy jest bardzo obfity, występuje wszędzie, ale ograniczeniem jest sposób, w jaki przekształca się go w grafen. Obecne metody produkcji są zbyt drogie.”
Aby baterie grafenowe zrewolucjonizowały rynek EV, koszt produkcji grafenu musi znacznie spaść. Grafen jest obecnie produkowany w cenie około 200 000 USD za tonę, czyli 200 USD za kilogram (kg). Trudno przewidzieć, jak tania musi być produkcja, zanim producenci zaczną używać go w swoich bateriach, ale Focus uważa, że nastąpi to, gdy grafen stanie się porównywalny z litem.
Węglan litu kosztuje obecnie około 16 USD/kg, a analitycy uważają, że może spaść o kolejne 30% do 11 USD/kg w 2024 roku. Metoda prognozowania Focus szacuje tempo poprawy produkcji grafenu na 36,5% YoY. Zakładając obecną cenę 200 USD/kg i cenę docelową 11 USD/kg, Focus prognozuje, że produkcja grafenu stanie się wystarczająco tania, aby materiał mógł przedostać się do technologii baterii około 2031 roku.
Według Focus, około 300 organizacji pracuje obecnie nad technologią baterii grafenowych. Spośród dziesięciu najlepszych firm najlepiej przygotowanych do zrewolucjonizowania rynku baterii grafenem, Focus ocenia Global Graphene Group jako lidera. Jej spółka zależna, Honeycomb Battery Company, ogłosiła niedawno przełomową umowę połączenia z Nubia Brand International, mającą na celu wzmocnienie możliwości produkcyjnych i badawcze.
Podobnie, StoreDot, jedyny startup w pierwszej dziesiątce, poczynił imponujące postępy w 2023 roku. Firma przygotowuje się do masowej produkcji swoich ogniw bateryjnych „100in5” w 2024 roku. Ogniwa te są zaprojektowane tak, aby zapewnić co najmniej 100 mil zasięgu przy zaledwie pięciu minutach ładowania. StoreDot zawarł strategiczne umowy z takimi firmami jak Volvo Cars (Geely), VinFast i Flex|N|Gate. Na początku 2024 roku współpracował z Polestar, marką Volvo Cars, przy pierwszej na świecie demonstracji 10-minutowego ładowania EV. Jakość jego baterii została potwierdzona po testach przeprowadzonych przez 15 wiodących światowych producentów, które wykazały brak degradacji nawet po 1000 kolejnych cyklach „ekstremalnie szybkiego ładowania”.
Z drugiej strony, Toray Industries zostało uznane przez Focus za najszybciej iterującego gracza (najkrótszy czas cyklu). Firma poczyniła znaczące postępy w badaniach nad bateriami grafenowymi, opracowując ultracienki roztwór dyspersji grafenu o doskonałej płynności oraz przewodności elektrycznej i cieplnej – szczególnie korzystny w zastosowaniach takich jak materiały do baterii i okablowania. Toray jest w ten sposób w stanie wytwarzać bardzo cienki, wysokiej jakości grafen z niedrogich materiałów grafitowych. Technologia ta, jak twierdzi Toray, oferuje o 50% dłuższą żywotność baterii w porównaniu z tradycyjnymi nanorurkami węglowymi stosowanymi jako środki przewodzące.
„Patrząc w przyszłość, największym wąskim gardłem dla baterii grafenowych jest obecnie znalezienie metody produkcji, która naprawdę pozwoli na skalowanie” – podsumowuje van Ingen. „To wciąż dziedzina zdominowana głównie przez badania, ale w ciągu najbliższej dekady katapultuje się do rzeczywistego świata, według Focus.”
Fizycy odkryli, że przyspieszone elektrony uwięzione w kolistych pętlach w kropkach kwantowych grafenu są wysoce wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne.
Elektrony w grafenie (atomowo cienkiej formie węgla) zachowują się jakby były bezmasowe, podobnie jak fotony, które są bezmasowymi cząstkami światła. Chociaż elektrony w grafenie nie poruszają się z prędkością światła, wykazują takie same relacje energii i pędu jak fotony i mogą być opisane jako „ultra-relatywistyczne”. Kiedy te elektrony są uwięzione w kropce kwantowej, poruszają się z dużą prędkością w kolistych pętlach wokół brzegu kropki.
„Te pętle prądu tworzą momenty magnetyczne, które są bardzo wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne” – wyjaśnia Jairo Velasco Jr., profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „Czułość tych pętli prądu wynika z faktu, że elektrony grafenu są ultra-relatywistyczne i poruszają się z dużą prędkością”.
Velasco jest autorem korespondującym pracy na temat nowych odkryć, opublikowanej 6 marca w Nature Nanotechnology. Jego grupa na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz wykorzystała mikroskop tunelowy STM do tworzenia kropek kwantowych w grafenie i badania ich właściwości. Jego współpracownikami w projekcie są naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania) oraz Narodowego Instytutu Nauki Materiałowej w Japonii.
„To była bardzo współpracująca praca” – powiedział Velasco. „Wykonaliśmy pomiary w moim laboratorium na UCSC, a następnie bardzo blisko współpracowaliśmy z teoretykami z Uniwersytetu w Manchesterze, aby zrozumieć i zinterpretować nasze dane”.
Unikalne właściwości optyczne i elektryczne kropek kwantowych – które są często wykonane z nanokryształów półprzewodnikowych – wynikają z ograniczenia elektronów w strukturze nanometrycznej, w której ich zachowanie jest określane przez mechanikę kwantową. Ze względu na wynikającą z tego strukturę elektronową, podobną do atomów, kropki kwantowe są często nazywane „sztucznymi atomami”. Podejście Velasco polega na tworzeniu kropek kwantowych w różnych formach grafenu za pomocą elektrostatycznego „ogrodzenia”, które ogranicza prędkość poruszania się elektronów w grafenie.
„Część z tego, co sprawia, że jest to interesujące, to fundamentalna fizyka tego systemu i możliwość badania fizyki atomowej w ultra-relatywistycznym reżimie” – powiedział Velasco. „Jednocześnie istnieją interesujące potencjalne zastosowania tego jako nowego rodzaju kwantowego czujnika, który może wykrywać pola magnetyczne na poziomie nanometrycznym z wysoką rozdzielczością przestrzenną”.
Zgodnie z co-pierwszym autorem Zhehao Ge, studentem studiów doktoranckich z fizyki na UCSC, istnieją również dodatkowe możliwości zastosowań. „Wyniki naszych badań wskazują również, że kropki kwantowe grafenu mogą potencjalnie być gospodarzem olbrzymiego stałego prądu (wieczystego prądu elektrycznego bez potrzeby zewnętrznego źródła zasilania) w małym polu magnetycznym” – powiedział Ge. „Taki prąd może potencjalnie być wykorzystany do symulacji kwantowej i obliczeń kwantowych”.
Jak wiadomo, energia napędza świat, od największych fabryk po domy ludzi. Wraz ze wzrastającą populacją wzrasta też zapotrzebowanie na energię. Jednak nawet najbogatsze i najbardziej rozwinięte kraje nie są w stanie zaspokoić zapotrzebowania na energię. W rezultacie wiele krajów odpowiedzialnych za znaczną część światowego handlu, w tym Chiny i Stany Zjednoczone, zaczyna borykać się z problemami związanymi z przerwami w dostawach energii. Jak już wspomnieliśmy w poprzednim artykule, grafen posiada właściwości, które mogą pomóc i potencjalnie rewolucjonizować sektor energetyczny, zwłaszcza jeśli chodzi o magazynowanie energii.
Zastosowania grafenu w energetyce Dlaczego grafen jest ważny dla energetyki? Grafen jest punktem centralnym dla magazynowania energii; może zwiększyć wydajność, funkcjonalność i trwałość obecnych urządzeń magazynujących energię. Wymienić można kilka zastosowań grafenu i materiałów z nim związanych (GRM), które mogą mieć kluczowe znaczenie dla ogniw słonecznych, baterii, superkondensatorów, magazynowania wodoru i ogniw paliwowych.
Grafen zmierza ku temu, by stać się medium przewodzącym/układem drukowanym, który jest wymagany przez wiele urządzeń elektronicznych. Choć może to wymagać trochę czasu, grafen jest już znany w małych systemach magazynowania energii, takich jak baterie i kondensatory dostępne na rynku.
Baterie oparte na grafenie Grafen może nie być jedynym materiałem stosowanym w bateriach opartych na grafenie, ale jest odpowiedzialny za elektrody i ich powłokę, w zależności od typu baterii. Chociaż tradycyjna bateria litowo-jonowa jest najpopularniejszą baterią z grafenem, grafen może być stosowany w wielu typach baterii, aby poprawić ich wydajność, stabilność oraz wskaźniki cykli rozładowania.
Według AZoNano, baterie oparte na grafenie są najbardziej rozwiniętym urządzeniem magazynowania energii. Jedna z największych firm elektronicznych, Samsung, produkuje komercyjnie baterie oparte na grafenie razem z mniej znanymi producentami baterii.
Jakie są korzyści grafenu w bateriach? Przetwarzanie grafenu na elektrody w bateriach akumulatorowych poprawia jej pojemność energetyczną i szybkość ładowania. Zalety te wynikają z doskonałej przewodności elektrycznej, elastyczności mechanicznej, stabilności chemicznej i dużej powierzchni grafenu.
Jeśli nie jesteś zaznajomiony z tym terminem, kondensator to element elektryczny, który pobiera energię z baterii i przechowuje ją. Natomiast superkapacitor ma bardzo dużą pojemność (zdolność systemu do przechowywania ładunku elektrycznego) i niskie napięcie w porównaniu do standardowego kondensatora. Są one w zasadzie rodzajem hybrydy między baterią a kondensatorem.
Supercapacitory są już używane dzisiaj, ale zwykle razem z tradycyjnymi bateriami, mogą dostarczyć szybki przypływ energii w aplikacjach takich jak elektryczne dźwigi, które mogą potrzebować dodatkowej mocy podczas trudnych zadań. W porównaniu do typowych litowo-jonowych baterii używanych dzisiaj w samochodach elektrycznych, supercapacitor może teoretycznie naładować się znacznie szybciej, ale może przechowywać tylko małą ilość energii.
Odpowiednio, supercapacitory szybko stają się kolejną dziedziną, w której grafen może wykorzystać swoje zdolności. Podobnie jak w przypadku baterii, wysoka powierzchnia, stabilność i przewodność grafenu dają przewagę supercapacitorom, gdy grafen jest stosowany jako powłoka węglowa. W rezultacie, grafenowe supercapacitory mogą dostarczyć ogromnych ilości mocy, zużywając znacznie mniej energii niż urządzenia konwencjonalne. Chociaż nie są tak powszechnie stosowane jak zwykłe baterie, supercapacitory mogą doświadczyć znaczącego wzrostu użytkowania, ponieważ stałyby się preferowanym wyborem do zasilania samochodów elektrycznych. Ponadto, ponieważ są lekkie, grafenowe supercapacitory mogłyby również zmniejszyć wagę pojazdów.
Chociaż omówiliśmy tylko kilka kluczowych obszarów związanych z energią, w których grafen będzie miał znaczący wpływ (komórki słoneczne, superkondensatory, baterie grafenowe), wiele innych innowacji może już wykorzystywać grafen. Jak wspomniano na stronie Graphene Flagship, niektóre z tych innowacji to m.in. Deep Freeze dla krioelektroniki, zaawansowane rozwiązania grzewcze, chłodzenie urządzeń o wysokiej mocy i inteligentne rozwiązania grzewcze dla smart tekstyliów.
Grafen może odegrać znaczącą rolę w rozwoju energii. Jednak przed rozpowszechnieniem wykorzystania nanomateriałów i urządzeń opartych na grafenie należy rozwiązać dwa kluczowe problemy. Jak podaje Nanowerk, jednym z problemów jest przygotowanie nanomateriałów opartych na grafenie o zdefiniowanej strukturze, a drugim kontrolowana produkcja tych materiałów w funkcjonalne urządzenia. Dalsze badania nad grafenem i jego potencjalnymi zastosowaniami w sektorze energetycznym mogą przyspieszyć zmiany. Problemy, które są uważane za powszechne w dzisiejszym świecie, takie jak awarie zasilania, brak dostępu do energii elektrycznej i przerwy w zasilaniu spowodowane ekstremalnymi warunkami pogodowymi, z czasem staną się przeszłością, gdy urządzenia magazynujące i produkujące energię będą wykorzystywać grafen w swoich konstrukcjach.
Baterie grafenowe mogą być jednymi z najlepszych dostępnych na rynku. Grabat opracował akumulatory grafenowe, które za jednym ładowaniem mogłyby oferować samochodom elektrycznym zasięg do 500 mil.
Graphenano, firma odpowiedzialna za rozwój, twierdzi, że akumulatory można naładować do pełna w ciągu zaledwie kilku minut i można ładować i rozładowywać 33 razy szybciej niż jon litowy. Rozładowanie ma również zasadnicze znaczenie dla takich rzeczy, jak samochody, które potrzebują dużej mocy, aby szybko się wycofać.
Nie wiadomo, czy akumulatory Grabat są obecnie używane w jakichkolwiek produktach, ale firma ma dostępne akumulatory do samochodów, dronów, rowerów, a nawet do domu.
Wgląd w przyszłość produkcji realnego wykorzystania baterii grafenowych w bateriach smartphonów. W tym materiale omawiana jest bateria jaką ma „niebawem” zaprezentować firma Samsung.
