Ce este o baterie cu grafen? [O prezentare generală simplă]

Tehnologia bateriilor s-a îmbunătățit foarte mult în zilele noastre. Dar dacă există un lucru de care oamenii nu se vor putea sătura niciodată, acesta este promisiunea unei durate de viață prelungite a bateriei. Nu ar fi grozav dacă laptopurile și smartphone-urile noastre ar dura o săptămână întreagă de utilizare intensivă cu o singură încărcare? Sau dacă mașinile electrice ar putea fi încărcate complet în câteva minute?

Cu bateriile cu grafen, totul este posibil.

Grafenul este, în prezent, cel mai cercetat material pentru stocarea încărcăturii. Rezultatele obținute de diverse laboratoare din întreaga lume confirmă potențialul său de a revoluționa industria de stocare a energiei.

Descoperit în 2004, grafenul ar putea prezenta multe caracteristici noi pentru dispozitivele de stocare a energiei în următorul deceniu, cum ar fi baterii complet rulabile, condensatori mai mici, dispozitive de mare capacitate și încărcare rapidă și baterii transparente.

Haideți să aprofundăm și să aflăm mai multe despre această tehnologie care schimbă regulile jocului: cum se deosebește de bateriile litiu-ion existente, care sunt aplicațiile sale și de ce este atât de importantă.

Ce este mai exact o baterie cu grafen?

Grafenul, o foaie de atomi de carbon dispuși într-o rețea bidimensională în formă de fagure de miere, este recunoscut ca fiind un “material minune” datorită proprietăților sale unice. Este un excelent conductor de căldură și electricitate, impresionant de flexibil, aproape transparent, de 100 de ori mai rezistent decât oțelul de aceeași grosime și extrem de ușor.

Atomii din grafenă sunt aranjați într-o rețea bidimensională în formă de fagure de miere

Și, deoarece materialul este, de asemenea, ecologic și durabil, are posibilități nelimitate într-o gamă largă de aplicații. Una dintre aceste aplicații promițătoare este bateria de ultimă generație.

Grafenul poate fi integrat în diferite tipuri de baterii: metal-aer, flux redox, litiu-metal, litiu-sulfur și, mai ales, baterii litiu-ion. Acesta poate fi prelucrat chimic în diferite versiuni adecvate atât pentru electrozii negativi, cât și pentru cei pozitivi.

Bateriile realizate cu grafen pot alimenta orice, de la dispozitive portabile și până la vehicule electrice. Acestea rețin mai multă energie și au cicluri de viață mai lungi decât bateriile comerciale existente (litiu-ion).

Grafenul ca baterie poate fi folosit și ca supercapacitor, care se poate încărca și descărca incredibil de rapid. De fapt, acestea ar putea ajuta civilizația să se îndepărteze în sfârșit de combustibilii fosili dăunători.

Prin ce se deosebesc de bateriile tradiționale?

Tehnologia bateriilor cu grafen este similară bateriilor litiu-ion: are doi electrozi solizi și o soluție de electrolit pentru a permite fluxul de ioni. Cu toate acestea, unele baterii cu grafen au un electrolit solid.

Principala diferență constă în constituenții unuia sau ai ambilor electrozi. Într-o baterie convențională, catodul (electrodul pozitiv) este alcătuit în întregime din materiale solide. Cu toate acestea, în cazul unei baterii cu grafen, catodul este alcătuit dintr-o componentă hibridă care conține grafen și un material metalic în stare solidă.

Cantitatea de grafenă utilizată în electrod variază, în funcție de cerințele de eficiență și de performanță ale materialului cu stare solidă. În plus, grafenul, ca anod, oferă o capacitate mare și o capacitate de viteză superioară.

Provocări actuale

În ultimii ani, cercetătorii au demonstrat diverse baterii pe bază de grafen care le depășesc pe cele disponibile în comerț. Cu toate acestea, tehnologia nu a intrat încă pe piață. Două obstacole majore trebuie încă depășite:

1. Lipsa unor procese eficiente de producere a grafenului de înaltă calitate în cantități mari
2. Costurile de producție sunt prohibitive în acest moment.

Producerea unui kilogram de grafenă costă zeci de mii de dolari: suma variază în funcție de cerința de calitate a materialelor. Deoarece carbonul activ utilizat în prezent în supercondensatoare este disponibil la costuri reduse (15 dolari pe kilogram), este foarte dificil pentru alte materiale să intre pe piața comercială.

12 caracteristici noi ale bateriilor cu grafen

În curând, grafenul ar putea stabili o nouă generație de dispozitive de stocare a energiei cu caracteristici extraordinare, care nu sunt posibile cu tehnologia actuală.

1. Supercondensatori cu filtrare a liniei de curent alternativ

Un condensator electric cu dublu strat bazat pe foi de grafenă orientate vertical ar putea fi încărcat/descărcat foarte rapid (în mai puțin de o milisecundă). Au fost testate zeci de materiale pentru filtrarea liniei de curent alternativ, inclusiv oxid de grafenă, covor de grafenă-CNT (Carbon NanoTube) și puncte cuantice de grafenă.

Astfel de supercondensatori ultrarapizi ar putea înlocui condensatorii electrolitici mari utilizați în prezent în electronică, făcând dispozitivele electronice mai ușoare și mai mici.

2. Dispozitive flexibile de stocare a energiei

Bateriile și supercondensatorii existenți sunt rigizi: astfel, îndoirea lor poate duce la scurgeri de electrolit și la deteriorarea celulelor. Cu toate acestea, grafenul, cu structura sa bidimensională cu grosimea de un atom, poate fi deformat în direcția normală la suprafața sa fără a provoca daune.

În plus față de această flexibilitate mecanică inerentă, caracteristicile electrice fenomenale și suprafața mare fac din grafenă un material promițător pentru bateriile flexibile.

3. Baterii și supercapacitori extensibili

Dispozitivele extensibile de stocare a energiei pot fi construite prin valorificarea extensibilității structurale a electrozilor compuși de grafene-CNT/materiale active în micro-honeycomb și a unui electrolit gel reticulat fizic.

Film de grafenă-CNT/material activ pe un substrat extensibil | Credit: ACS Nano

Materialele active interconectate prin intermediul nanotuburilor de carbon încâlcite și a foliilor de grafenă oferă un cadru de rețea poroasă stabilă din punct de vedere mecanic, în timp ce cadrul proeminent spre interior în structura în formă de fagure de miere permite o întindere structurală în timpul deformării.

4. Baterii litiu-ion cu încărcare rapidă

Deoarece grafenul permite un transfer mai rapid de ioni și electroni în electrozi, bateriile litiu-ion echipate cu grafen pot fi încărcate și descărcate în mult mai puțin timp.

De exemplu, o baterie litiu-ion încărcată cu materiale catodice _LiFePO4 la scară nanometrică și anod _Li4Ti5O12 pe spumă flexibilă de grafen poate fi încărcată complet în numai 18 secunde. Grafenul pur poate fi, de asemenea, utilizat la anod pentru a spori capacitatea și viteza de încărcare/descărcare ultra-rapidă.

5. Baterii pentru dispozitive portabile

Progresele recente în ceea ce privește electrozii coaxiali și electrozii cu miez de înveliș au făcut posibilă combinarea materialului electrodului și a colectorului de curent într-un singur fir, care poate fi țesut sau tricotat direct în materiale textile.

Grafenul poate fi asamblat în mod eficient în microfibre multifuncționale și poate fi țesut în țesături. Microfibrele cu miez și înveliș de grafene au fost deja utilizate pentru a demonstra existența unor supercapacitori flexibili și extensibili (cu o capacitate areală ridicată) care pot fi încorporați în materiale textile folosind metode tradiționale de țesut.

6. Colectoare de curent ultrafine pentru dispozitive ușoare

Bateriile existente utilizează colectoare de curent din folii metalice (cum ar fi cupru, aluminiu sau nichel) cu grosimea de 20-80 micrometri pentru a facilita fluxul de electroni între electrozi și circuitele externe. Deoarece aceste metale nu stochează sarcina, ele reduc densitatea energetică globală a bateriei. În plus, ele suferă de coroziune, ceea ce are un impact negativ asupra rezistenței interne a celulei și asupra duratei de viață a bateriei.

Grafenul, pe de altă parte, este un colector de curent alternativ mai bun. Acesta are o conductivitate electrică ridicată, o densitate redusă și poate funcționa în mod stabil în condiții de funcționare extreme. Grafenul poate fi transformat cu ușurință în filme cu ondulații și riduri pe suprafața sa, ceea ce duce la un contact electric mai bun cu materialele active (ceea ce reduce și mai mult rezistența celulei).

7. Baterii și supercapacitori transparenți

Datorită conductivității sale ridicate și a transparenței decente (până la 97,7% de transmisie), grafenul poate juca un rol important în eficientizarea bateriilor transparente. Acesta poate fi utilizat ca material de electrod nu numai pentru dezvoltarea de dispozitive transparente de stocare a energiei, ci și pentru ferestre inteligente, celule solare și diverse echipamente optoelectronice.

8. Baterii cu durată de viață mai lungă

Bateriile litiu-ion din prezent utilizează anozi de grafit. Densitatea energetică a acestora poate fi crescută prin înlocuirea grafitului cu grafenul.

Electrozii de grafen sub formă de hârtie de grafen pliată, filme de grafen poros și cadre de grafen solvat oferă o capacitate de trei ori mai mare decât electrozii de grafit tradiționali, promițând o autonomie mai mare pentru vehiculele electrice și timpi de funcționare mai lungi pentru dispozitivele portabile.

Capacitatea și densitatea de putere pot fi îmbunătățite și mai mult prin doparea anozilor de grafen cu azot și bor.

9. Oxidul de grafen ca electrolit solid și separator

Oxidul de grafen este un bun izolator electronic. Acesta poate fi utilizat în același timp ca electrolit solid viabil și ca separator de electrozi. Unele studii arată că o peliculă de oxid de grafenă, care acționează ca electrolit solid, prezintă o capacitate ridicată, dar cu difuzie ionică nedetectabilă, similară condensatorilor dielectrici.

Aceste observații ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte condensatori ultrarapizi, ușori și cu densitate de energie, care nu suferă de difuzia ionică, care este adesea responsabilă de pericolele de scurgere a electrolitului.

10. Supercondensatori cu densitatea energetică a bateriilor

Supercondensatorii realizați cu spume de grafen [poroase și dense] tind să aibă densități energetice ultra-înalte comparabile cu cele ale bateriilor cu plumb-acid. Aceste spume de grafen sunt realizate prin săparea unor găuri minuscule în planurile bazale ale grafenului și apoi prin comprimarea lor cu ajutorul unor echipamente hidraulice avansate.

Principalul avantaj al supercondensatoarelor din grafen față de cele tradiționale este că acestea funcționează cu electroliți apoși și pot fi fabricate fără a fi nevoie de un montaj sofisticat în “camera uscată”.

11. Membrane semipermeabile din oxid de grafenă

Membranele de oxid de grafenă prezintă diverse caracteristici unice de barieră. În stare uscată, aceste membrane sunt impermeabile la orice, cu excepția vaporilor de apă. În apă, ele se comportă ca niște site moleculare, blocând ionii mari și facilitând în același timp transportul celor mai mici.

Aceste caracteristici pot duce la dezvoltarea unei noi generații de membrane selective de ioni pentru supercapacitori, baterii și pile de combustie.

12. Electrozi fără lianți și aditivi

Liantul și aditivii reprezintă împreună până la 40% din masa electrodului. Aceasta este cunoscută sub denumirea de “masă moartă”, deoarece nu stochează nicio sarcină și, prin urmare, scade densitatea energetică globală.

Dar, deoarece grafenul poate fi asamblat în structuri 2D și 3D autonome cu o mare conductibilitate electrică, este posibil să se încorporeze grafenul în electrozi în mod direct, fără a adăuga lianți și agenți conductori.

Citiți: Bateria cu semiconductori [O simplă prezentare generală]

Studii recente

În ultimul deceniu, oamenii de știință s-au concentrat pe îmbunătățirea performanței electrochimice globale și a fiabilității bateriilor existente. Aceștia au dezvoltat și au testat mai multe baterii în diferite versiuni echipate cu compuși de grafenă.

Baterie litiu-ion bazată pe nanocompozite optimizate de grafen/siliciu

Cercetătorii au fabricat un compozit optimizat de oxid de grafene redus/ siliciu folosind o metodă de autoasamblare ușor de temperat. Grafenul susține în mod uniform nanoparticulele de siliciu, formând o rețea tridimensională (datorită interacțiunii intermoleculare îmbunătățite și a suprafeței specifice crescute).

Strategia de sinteză a compozitului optimizat RGO/Si | Credit: ACS Publications

Acesta poate fi utilizat ca o foaie stabilă de interfață solid-electrolit, care crește atât conductivitatea electrică, cât și stabilitatea structurală.

Celule de pungă pe bază de grafen

O baterie litiu-oxigen cvasi-solidă pe bază de grafenă oferă densități de energie gravimetrice și volumetrice mai mari decât bateriile litiu-ion-polimer existente. Aceasta constă dintr-un catod poros de grafenă 3D, un anod poros de grafenă/Li și un electrolit polimer gel modificat cu mediator redox.

Ilustrație schematică a bateriei Li-O2 pe bază de grafene | Credit: Nature

Acest studiu deschide o nouă cale pentru dezvoltarea unor baterii litiu-oxigen sigure și stabile, cu cicluri stabile la o capacitate mare și un suprapotențial de încărcare scăzut.

Pelicule laminate de grafen pentru stocarea capacitivă a energiei

În 2020, o echipă de cercetători a proiectat un electrod de film laminat de grafenă liber cu o utilizare foarte eficientă a porilor. Este ușor de configurat porozitatea prin ajustarea distanței dintre straturi a filmului. Deoarece porii sunt utilizați în mod optim, capacitatea volumetrică este maximizată.

Supercapacitorul flexibil din grafen poate stoca de 10 ori mai multă energie decât cele convenționale | Credit: University College London

Acest tip de supercondensatoare poate păstra 97,8% din capacitatea lor energetică după 5.000 de cicluri. Sunt, de asemenea, foarte flexibili: au aproape aceleași performanțe atunci când sunt îndoiți la 180 de grade ca atunci când sunt întinși.

Electrod pe bază de grafenă indusă cu laser

Oamenii de știință au fabricat un micro-supercondensator flexibil prin ștanțare cu reducere fotonică cu laser cu un singur impuls. Folosind această metodă, pot fi produse 1.000 de laser cu formă spațială pe secundă, iar peste 30.000 de micro-supercondensatoare pot fi produse în 10 minute.

Mai mult de 30.000 de CSM sunt fabricate pe o suprafață de un centimetru pătrat | Credit: Beijing Institute of Technology

Acest electrod pe bază de grafene indus de laser prezintă o capacitate specifică remarcabilă, o constantă de timp foarte scurtă, o densitate energetică foarte mare și o ciclabilitate pe termen lung.

Piața

Cercetările în domeniul grafenei vor continua să se extindă în următorul deceniu, cu promisiunea de a îmbunătăți viața oamenilor. În 2019, piața globală a bateriilor cu grafene a fost evaluată la 49 de milioane de dolari și se preconizează că va ajunge la aproximativ 399 de milioane de dolari până în 2027, înregistrând o CAGR (rată de creștere anuală compusă) de peste 31% în perioada de prognoză.

Creșterea pieței este determinată de utilizarea bateriilor cu grafen în vehiculele electrice, dispozitivele electronice portabile și de creșterea bruscă a adoptării resurselor energetice neconvenționale. Se preconizează că segmentul auto va avea cea mai mare rată de creștere datorită cererii tot mai mari de mașini electrice din cauza preocupărilor legate de mediu.

Citiți: 10 tipuri diferite de baterii | explicate

În funcție de regiune, se preconizează că regiunea Asia-Pacific va reprezenta cea mai mare parte a industriei bateriilor cu grafen. Principalele țări care contribuie la creșterea cererii sunt China, Japonia și Coreea de Sud. Europa va deține probabil a 2-a cea mai mare cotă din piața globală a bateriilor cu grafen.