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.