A jövő akkumulátor-csodaanyaga a grafén, vagy csak túlzó hype?
2020 / 11 / 23 / Justin Viktor
A jövő akkumulátor-csodaanyaga a grafén, vagy csak túlzó hype?
Egyelőre még nem grafén akkumulátorok táplálják az okostelefonokat és más eszközöket, de a technológia fejlődik. A jövőben a grafén lehet az az anyag, amely helyettesíti azokat a lítium-ion akkumulátorokat, melyek a technológiai ipar gerincét adják évtizedek óta.

A közlekedés jövője 

A grafén alapú áramforrások könnyedén alkothatnák a közlekedés jövőjének fő áramforrását, hiszen ha csupán egy atom vastagságú grafénlappal egészítik ki a meglévő akkumulátorokat, máris gyorsabban tölthetővé válnak, több energiát képesek eltárolni, és kevesebbe kerülnek. Állítólag jövőre valamikor megérkeznek majd a kereskedelembe is.

"A grafén csodálatos anyag, és különösen csodálatos, mint akkumulátor alapanyag" - mondta Chip Breitenkamp, ​​polimer tudós, a NanoGraf grafén akkumulátor fejlesztő vállalat üzletfejlesztési alelnöke. “A technika gyorsabban töltheti fel az akkumulátorokat, és hatékonyabban vezetheti el a hőt. Ennek messzire vezető következményei vannak.” 

“Azt jelenti, hogy az elektromos szerszámok nem melegednek fel túl gyorsan. Azt jelenti, hogy a háztartási gépek jobban, és hosszabb ideig szolgálják a családokat. És ez azt is jelenti, hogy az elektromos autók gyorsabban feltöltődhetnek.”

"Lényegében a grafén központi szerepet játszhat a fenntartható, elektromos jövő megvalósításában" - tette hozzá Breitenkamp.

A gyors töltés nem az egyetlen nagy előny. A laboratóriumban a NanoGraf grafén akkumulátorai 50 százalékkal hosszabb üzemidőt biztosítottak a hagyományos lítium-ion akkumulátorokkal összehasonlítva, 25 százalékkal csökkentve ugyanakkor a szén-lábnyomot, és az azonos teljesítmény biztosításához mindössze a megszokott tömeg felére volt szükség.

A megoldás alapötlete a kémia tudományterületéről származik. Az akkumulátorgyártók először is felismerték a lítium előnyeit a szilícium felett, mivel nagyobb elektromos kapacitással rendelkezik. A lítiumnak van két komoly problémája. Meglepő lehet, de az első az, hogy rosszul vezeti az elektromosságot, valamint hajlamos a töltés leadása során fizikailag is deformálódni, elnyíródni és megrepedni. A lítium grafénnel, vagy kapcsolódó nanoanyagokkal, például grafén-oxidokkal és redukált grafén-oxidokkal történő összekeverése vagy bevonása mindkét problémát megoldja. A grafén kitűnő vezető, lehetővé teszi az áram szabad folyását, és merev, így elősegíti a lítium formájának megőrzését, meghosszabbítva az élettartamát.

Mérnök-szemmel

"A grafén kitűnő elektromos vezetőképességgel rendelkezik, így amikor a szilícium anódba helyezzük, a vezetőképesség valóban megnő" - mondta Christos Athanasiou, a Brown Egyetem mérnöke, aki grafén-akkumulátorokkal kapcsolatos kutatásokat publikált. „A grafén mechanikai tulajdonságai is kitűnőek, rendkívül erős. Tehát amikor az anód tágul, a grafén lényegében akadályozza ezeket a térfogatváltozásokat, így nem engedi, hogy a szilíciumanód annyira kitáguljon, hogy eltörjön.”

A grafén újabb előnye, hogy a szilárdsága sokkal több életciklust biztosít, mint egy hagyományos akkumulátor esetében, ezért nem kell kesztyűs kézzel bánni vele, nagyobb áramerősséggel, gyorsabban tölthetők az így készült akkumulátorok. A lebomlásuk is gyorsabb, de rengeteg kisülési ciklusuk még mindig hosszabb élettartamot biztosít számukra, mint a hagyományos akkumulátorok esetében.

De nem csupán a Nanograf rendelkezik stabil grafén akkumulátorral. Samuel Gong, a Real Graphene vezérigazgatója szerint cégének technológiája kevesebb mint egy óra alatt képes feltölteni egy autót.

"Úgy gondolom, hogy a grafén akkumulátorok ugyanolyan fontosak a technológia fejlődése szempontjából, mint a műanyag volt" - mondta Gong. "A jövőben szinte mindenre alkalmazható lenne."

Nemsokára

Az ígéretek tehát igazán hatalmasak, de a konkrétumok közül sok homályosnak tűnik. A Nanograf állítása szerint már partnerségre lépett egy elektromos kéziszerszámokat gyártó céggel és egy másikkal, ami elektromos járművek számára gyárt akkumulátorokat. Ugyanakkor eddig nem voltak hajlandóak a a konkrét partnereket megnevezni.

A grafént először 2004-ben izolálták ipari felhasználás céljával. "Az utóbbi években könnyebbé vált a grafén előállítása, és vannak más grafénen alapuló nanoanyagok is, például a grafén-oxid" - mondta Athanasiou. "Ezek a nanoanyagok még jobb tulajdonságokat kínálnak. A grafén-oxid jobban keveredik például a szilíciummal, a redukált grafén-oxid pedig még jobb tulajdonságokat kínál.”

A grafén és a felhasználásával készült, továbbfejlesztett akkumulátor technológia ezek után kicsit olyannak tűnhet, mint

a szabályozott magfúzió és az arra épülő reaktor: évtizedek óta, minden nap ugyanaz a helyzet velük, stabilan 30 év múlva már biztosan itt lesznek. De vajon valójában miért nem használtuk még fel, ha ilyen csodálatos képességei vannak?

 

"Az elektromos járművekbe (EJ) szánt akkumulátorok, rendkívül hosszú tesztciklusokat igényelnek" - mondta Breitenkamp. „Ezeket az akkumulátorokat legalább három-négy évig tesztelni kell. Nálunk sem arról van szó, hogy a technológiánkat máris felhasználhatjuk az EJ-kben. Hiszünk abban, hogy ez megtörténik, de ehhez még az összes szükséges tesztet el kell végezni.”

"Nincs kétségem afelől, hogy a Tesla is dolgozik ezen a technológián" - mondta Gong, hozzátéve, hogy az elég erős töltők megépítése nagyobb kihívást jelent, mint a grafén akkumulátorok létrehozása.

Kihívások

A Tesla, amely nemrégiben feloszlatta teljes PR-osztályát, és így technikailag az első olyan autógyártó lett, aki nem áll szóba a sajtóval, nem nyilatkozott a grafén akkumulátorok kérdésében, bár ettől függetlenül is akad számos technikai kihívás, amit még meg kell oldani, mielőtt fogyasztói termékként is hasznosulhat az új megoldás.

Gong szerint komoly gyakorlati problémát jelentene, ha egy nagy autógyártónak sikerülne piacra dobnia egy kész grafén akkumulátort, hiszen az óriási töltés-vonzat azzal fenyegetne, hogy teljesen túlterheli az elektromos-energia infrastruktúrát.

„Az elektromos hálózat itt San Francisco-ban a jelenlegi igényeket is alig képes kezelni. A dolog nem csak annyiból áll, hogy építünk egy atomerőművet és kész. Ez egyben az áramszolgáltatásról is szól, és arról, hogy vajon a város vezetékrendszere képes lesz kezelni ezt az terhelést vagy sem.”

Breitenkamp szerint az egyik legkomolyabb megoldandó probléma az akkumulátorok túl intenzív használatából eredő dendrit-képződés, ami lényegében egy belső rövidzárlat. A dendritek problémája ma már többféleképpen is megoldható, ahogy arról mi is beszámoltunk nemrég. És persze megoldható több grafénnel is.

Dendritek

A lítium-ion akkumulátorokkal ellentétben, amelyek tipikusan grafitból készült elektródát tartalmaznak, a lítium-fém akkumulátorokban ez lítiumból készül. A lítium-fém akkumulátorok töltésének sajátosságai miatt ez dendriteknek nevezett, apró lítium-lerakódásokhoz vezethet az elektróda felületén, melyek rövidzárlatot okozhatnak, a rövidzárlat pedig robbanásokhoz vezethet.

A grafén alkalmazása során gyártási nehézségek is adódhatnak, a konzisztencia kihívást jelent az alkalmazott módszertantól függetlenül. Athanasiou szerint a tudósok nagyon jó prototípusokat készíthetnek a laboratóriumban, de a késztermékek tömegtermelésébe való átvitele teljesen külön kihívás.

"Azt tudom mondani, hogy a tudomány ma ott tart, hogy tudjuk, hogyan lehet ezeket a nanokompozit szilícium-graféneket előállítani, de még nem tudjuk őket reprodukálhatóvá tenni, ez a nagy kihívás."

A grafén körül felfedezése óta komoly hype alakult ki. Készítettek már belőle kabátot, és felhasználták víz sótalanítására is.

Greg Less, a Michigani Egyetem Energetikai Intézetének Akkumulátorfelhasználási Laboratóriumának műszaki igazgatója nem biztos abban, hogy a grafén elemek végül mennyire válhatnak be. A grafén nem Less speciális szakterülete, de mégis úgy érzi, akár újabb hóbortként szimplán elhalványulhat az anyag iránti lelkesedés.

Konkrét példaként a szén nanocsöveket említette, “a tegnap csodaanyagának” nevezve őket, múltbeli példaként. A szén nanocsövek egyébként csövekbe feltekert grafén darabkák, és még azt is várták tőlük, hogy forradalmasítják majd a társadalmat.

"A grafén a ma varázsanyaga. Lesznek fejlesztések? Igen. Ezek a fejlesztések elegendőek lesznek egy olcsóbb, elérhetőbb lehetőség kiszorításához? Valószínűleg nem. Talán. Nem tudom. Nem tudom" - mondta Less, kissé zavarosan de lefordítjuk: 

Az alma nem valószínű, hogy sikeres lesz, mert ugyan ma mindenki nagyon szereti, és rengetegen fogyasztják, de,

bár Less nem almaszakértő, és nem is eszik ilyesmit, azért elmondhatja, hogy: mivel tegnap a körte sem lett igazán sikeres, pedig azt is sokan ették, ezért az alma sem lesz az. Vagyis nem valószínű. Vagyis nem tudja.

(Köszönjük Less. Less is more, ahogy az angol mondja.)

(Forrás: Graphena, Explainthatstuff, Nanowerk, Graphene-info, ResearchGate Kép: Unsplash, Pexels)

Ez is érdekelhet:

Új grafén-kompozit csökkentheti a légszennyeződést

Nukleáris hulladékból több száz évig működő akkumulátor? A kutatók már dolgoznak rajta

Új akkumulátor-technológiával 90 százalékkal lesznek olcsóbbak a lítium-ion cellák

Új nátrium-ion akkumulátorok a nagyléptékű energiatárolásban

Az új lítium-kén akkumulátor öt napig ellát egy okostelefont

Megérkeztek a tűzbiztos akkumulátorok

Az alacsony gyártási költségű akkumulátorok átalakítják a világot

A jövő elektronikus ruházatát saját testünk hője töltheti fel

Üzemanyagcella spenótból, az igazi zöld megoldás


 


Kövesd a Rakétát a Facebookon is!
Kövess, üzenj, kommentelj a Rakéta Facebook oldalán!
Igényes és férfias történeteket keresel? A Roadstert neked írjuk!
Olvass bele az egyik legszínvonalasabb hazai magazinba, szeretni fogod! A Roadster egy fantasztikus utazás az élet legjobb területein...
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.