Pokud grafenové baterie splní vše, co vědci tvrdí, mohly by změnit pravidla hry

Představte si, že jedete po dálnici ve svém novém elektromobilu vybaveném nejnovější grafenovou baterií. Všimnete si, že vám dochází šťáva, a tak zastavíte na odpočívadle, zapojíte ho a jdete dovnitř na pizzu.

Než dojedete a vrátíte se ven, vaše auto už je téměř nabité – a připravené na dalších 300 kilometrů bez přerušení.

To je budoucnost dopravy, kterou jistí hvězdně vyhlížející vědci slibují, že brzy přijde. Říkají, že když se baterie doplní grafenem – plátkem uhlíku o tloušťce pouhého jednoho atomu – vše od elektrického nářadí až po elektromobily se bude nabíjet rychleji, udrží více energie, bude stát méně a možná dokonce pomůže civilizaci konečně opustit fosilní paliva, která ničí planetu. A tyto úžasné baterie by se prý mohly začít vyrábět už někdy v příštím roce.

„Grafen je úžasný materiál a jako materiál pro baterie je obzvlášť úžasný,“ řekl Chip Breitenkamp, vědec zabývající se polymery a viceprezident pro rozvoj podnikání ve společnosti NanoGraf, která vyrábí grafenové baterie, v rozhovoru pro Futurism. Tato technologie podle něj dokáže „urychlit nabíjení baterií a efektivněji odvádět teplo. To má velké důsledky. Znamená to, že se elektrické nářadí nepřehřívá tak rychle. Znamená to, že domácí spotřebiče budou rodinám sloužit lépe a déle. A nakonec to znamená, že se mohou nabíjet rychleji.“

„V podstatě může grafen hrát ústřední roli v pohonu udržitelné elektrické budoucnosti,“ dodal Breitenkamp.

Rychlé nabíjení není jediným prodejním argumentem. V laboratoři společnost NanoGraf tvrdí, že její grafenové baterie vykazují 50procentní prodloužení doby provozu ve srovnání s běžnými lithium-iontovými, 25procentní snížení uhlíkové stopy a poloviční hmotnost potřebnou k zajištění stejného výkonu.

Základní myšlenka spočívá v chemii. V průběhu desetiletí si výrobci baterií oblíbili lithium místo křemíku, protože má vysokou elektrickou kapacitu. Lithium má však dva klíčové problémy. Špatně vede elektrický proud a při vybíjení má tendenci se fyzicky deformovat, což nakonec vede ke střihu a praskání. Oba problémy řeší smíchání nebo potažení lithia grafenem – nebo nejnověji příbuznými nanomateriály, jako jsou oxidy grafenu a redukované oxidy grafenu. Grafen je vysoce vodivý, takže umožňuje proudění elektřiny, a tuhý, takže pomáhá lithiu udržet si svůj tvar, díky čemuž baterie vydrží déle.

„Grafen má velmi vysokou elektronickou vodivost, takže když ho vložíte do křemíkové anody, vodivost se opravdu zvýší,“ řekl časopisu Futurism Christos Athanasiou, inženýr z Brownovy univerzity, který publikoval výzkum grafenových baterií. „A grafen má opravdu dobré mechanické vlastnosti – je opravdu, opravdu pevný. Takže když se vám anoda rozpíná, grafen v podstatě brání těmto objemovým změnám, takže nedovolí křemíkové anodě, aby se tolik rozpínala, takže se nerozbije.“

Další výhoda: Protože pevnost grafenu poskytuje bateriím mnohem více životních cyklů než konvenční baterie, mohou je podle zastánců „tlačit“ silněji a nabíjet je rychleji silnějším elektrickým proudem. Budou sice rychleji degradovat, ale množství vybíjecích cyklů jim přesto zajistí delší životnost než konvenčním bateriím.

Nanograf není jediným startupem, který tvrdí, že se zaměřuje na praktickou grafenovou baterii. Samuel Gong, generální ředitel konkurenční společnosti Real Graphene, řekl časopisu Futurism, že věří, že technologie jeho společnosti by mohla nabít automobil za méně než hodinu.

„Máme také větší rozpočet životních cyklů, které můžeme obětovat, protože lidé si obvykle nenechávají své výrobky déle než několik let, s největší pravděpodobností,“ řekl Gong. „Grafenová baterie může v jistém smyslu snášet mnohem větší zátěž, což umožňuje tento další životní cyklus. Můžeme na ni mnohem více tlačit.“

Výsledkem je podle něj levná baterie s výrazně vyšší energetickou hustotou a výkonem.

„Věřím, že stejně důležitá je pro vývoj technologie ve srovnání s něčím, jako je plast,“ řekl Gong, „kde by se v budoucnu mohla použít téměř na všechno.“

Slibuje obrovské věci, ale zároveň se konkrétní tvrzení mohou začít jevit jako mlhavá. Nanograf tvrdí, že již spolupracuje s firmou vyrábějící elektrické nářadí a společností, která vyrábí baterie pro elektromobily, aby svou technologii uvedl na trh, ale uvedl, že nemůže jmenovat konkrétní partnery.

A Gong nám řekl, že společnost Real Graphene již v čínské Šanghaji pilotně provozuje autobusy poháněné grafenovými bateriemi – když jsme se však zeptali na podrobnosti o tomto programu, například kdo autobusy provozuje a zda baterie splňují své impozantní technické sliby, odmítl se vyjádřit.

V širším smyslu byl grafen poprvé izolován v roce 2004. Proč tak velký tlak na to, aby se do všeho dostal až nyní?“

„Posledních 15 až 20 let se v podstatě celá komunita zabývající se skladováním energie hodně zabývala tím, jak vyrobit dobrý nanokompozitní materiál, jak docílit toho, aby křemíková grafenová anoda měla požadované vlastnosti,“ řekl Athanasiou. „V posledních letech je tedy snazší vyrobit grafen a existují i další nanomateriály založené na grafenu, například oxid grafenu.“

„Tyto nanomateriály nabízejí ještě lepší vlastnosti,“ dodal. „Oxid grafenu se například lépe mísí s křemíkem. A pak se ukázalo, že když použijete redukovaný oxid grafenu, nabízí ještě lepší vlastnosti.“

Jinými slovy, grafen je už léta ve stavu „těsně před revolucí“. Ale vzhledem k tomu, že výrobní náklady mají klesající tendenci, řada začínajících firem sdělila časopisu Futurism, že jejich baterie budou v prodeji v malých zařízeních, jako je elektrické nářadí, již v příštím roce. Poté plánují být ještě ambicióznější.

„Baterie, které jdou do elektromobilů, vyžadují extrémně dlouhé testovací cykly,“ řekl Breitenkamp z NanoGraf pro Futurism. „Takže si dokážete představit, že tyto baterie musí být testovány minimálně tři až čtyři roky. Nejde o to, aby naše technologie fungovala v elektromobilu hned teď. Jsme plně přesvědčeni, že by fungovala, ale je to otázka veškerého ověřování, které je nutné k tomu, aby se dostala do elektromobilu.“

„Nejde o to, zda funguje, ale o to, jak dlouho bude trvat, než dostane palec nahoru ve věcech, jako je bezpečnost a životnost,“ dodal Breitenkamp.

Je možné, že grafenové baterie přitahují zájem i mimo komunitu startupů. Několik odborníků oslovených pro tento článek totiž spekulovalo, že Tesla možná tajně experimentuje se stejnou technologií – i když všichni zdůraznili, že jde jen o domněnky.

„Nepochybuji o tom, že Tesla na tomto druhu technologie pracuje,“ řekl Gong a dodal, že sestrojení dostatečně výkonných nabíječek může být větší výzvou než samotná výroba grafenových baterií.

„Pravděpodobně to udělají, ale všechny tyto věci jsou supertajné,“ řekl Athanasiou. „Nikdo mimo společnost by to opravdu nevěděl.“

Tesla, která nedávno rozpustila celé své oddělení pro styk s veřejností, nepotvrdila otázky časopisu Futurism ani žádost o komentář. Bez ohledu na to, zda Tesla pracuje na grafenových bateriích, však existuje řada technických problémů, které je třeba vyřešit, než by byly použitelné jako spotřebitelský produkt.

Jedním z praktických problémů by podle Gonga bylo, že pokud by se velké automobilce podařilo vyvinout grafenové baterie vhodné pro trh, hrozilo by, že obrovský odběr energie při nabíjení zcela zahltí elektrickou infrastrukturu.

„Elektrická síť sotva zvládne i to, co máme nyní, alespoň pokud se bavíme o oblasti Bay Area. Je to prostě něco, co si opravdu nedokážu představit, už jen proto, že je to prostě tolik energie,“ řekl Gong. „Nejde jen o to postavit jadernou elektrárnu a říct, že máme energii. Jde také o dodávku energie: zda rozvody ve městě vůbec zvládnou takový nárůst výkonu.“

Všichni také přiznávají, že stále existují technické problémy, které je třeba vyřešit. Jedním z nich je podle Breitenkampa to, že přílišné zatížení baterií může způsobit problémy, jako je dendritické tečení – v podstatě vnitřní zkrat. Několik odborníků však časopisu Futurism řeklo, že dendritické tečení lze vyřešit, hádáte správně, větším množstvím grafenu.

I když však vložení většího množství grafenu zablokuje dendritické tečení, existují přetrvávající výrobní problémy. Různé společnosti používají různé triky pro skutečné potažení nebo implementaci baterií grafenem, ale konzistence je výzvou bez ohledu na metodiku.

Zkrátka a dobře, Athanasiou řekl, že vědci mohou v laboratoři vytvořit opravdu dobré prototypy – ale přechod k masové výrobě hotových výrobků je zcela samostatnou výzvou.

„Co vám mohu říci, je, že věda je zde,“ řekl Athanasiou. „Z technologického hlediska však ještě není připravena. Víme, jak tyto nanokompozitní křemíkové grafeny vyrobit, ale jak je udělat reprodukovatelné – to je velká výzva.“

A samozřejmě je tu humbuk, který grafen tlačí kupředu a udržuje zájem o něj od jeho objevení. Dělají se z něj bundy, mluví se o něm jako o zdroji nekonečné elektřiny, a dokonce jako o způsobu, jak okamžitě odsolit vodu.

Částečně je to nutnost vědců, kteří potřebují vzbudit zájem o svou práci, řekl Greg Less, technický ředitel laboratoře uživatelů baterií Energetického institutu Michiganské univerzity. Řekl však také, že si není jistý, jak užitečné grafenové baterie nakonec budou. Upřesnil, že grafen není Lessovou specifickou odborností, ale má podezření, že by mohl zaniknout jako další módní výstřelek.

Jako příklad uvedl uhlíkové nanotrubičky – „zázračný materiál“ minulých let. Uhlíkové nanotrubičky jsou v podstatě jen kousky grafenu srolované do trubiček a objevilo se mnoho odvážných tvrzení o tom, že způsobí revoluci i ve společnosti.

“ tak trochu gee-whiz materiál právě teď,“ řekl Less. „Dojde ke zlepšení? Ano. Budou tato zlepšení stačit na to, aby vytlačila levnější a dostupnější variantu? Pravděpodobně ne. Možná. Nevím. Nevím.“

Shrnuto a podtrženo, humbuk kolem grafenu zastírá jeho budoucnost. Oddělit skutečnou užitečnost nanomateriálu od dobře míněných snah, které nakonec selžou, je obtížné. Musíme však nějak vyčistit naše životní prostředí, a pokud chceme odvrátit nejničivější dopady klimatických změn, pak možná budeme nakonec potřebovat jednu nebo dvě dlouhé rány „Hail Mary“. Pokud se nakonec podaří alespoň zlomek toho, co zastánci grafenu tvrdí, že je možné, bude to skutečně cenná zbraň v boji proti fosilním palivům.

„Jsme prostě nadšeni, že se elektrifikace stane skutečností,“ řekl Breitenkamp o potenciálu grafenu způsobit revoluci v elektromobilech. „Posledních deset let se zdálo, že je tak trochu v éteru. Schopnost vyrobit auto, které bude dostatečně dostupné, aby ho mohl mít každý v garáži, hodně věcí posune. Změní to názor na změnu klimatu a dokonce i na pracovní místa.“

Další informace o čisté energii: Více informací o energeticky úsporných technologiích: Cukr, světlo a nový typ chemie – co může být potřeba, abychom se zbavili fosilních paliv