Hvis grafenbatterier gør alt, hvad forskerne siger, kan de være en gamechanger

Forestil dig, at du kører ned ad motorvejen i din nye elbil, der er udstyret med det nyeste grafenbatteri. Du opdager, at du er ved at løbe tør for strøm, så du holder ind på en rasteplads, sætter den i stikkontakten og går ind for at spise en pizza.

Hvor du er færdig og tilbage udenfor, er din bil allerede næsten opladet – og klar til endnu 300 miles uden afbrydelser.

Dette er fremtidens transportmiddel, som visse stjernelystne forskere lover, at det snart vil komme. De siger, at ved at superstyre batterier med grafen – et lag kulstof, der kun er ét atom tykt – vil alt fra elværktøj til elbiler blive opladet hurtigere, holde mere strøm, koste mindre og måske endda hjælpe civilisationen med endelig at bevæge sig væk fra de planetødelæggende fossile brændstoffer. Og disse vidunderlige batterier kan begynde at komme på markedet, siger de, allerede til næste år.

“Grafen er et fantastisk materiale, og det er især fantastisk som et materiale til batterier,” siger Chip Breitenkamp, polymerforsker og vicepræsident for forretningsudvikling i grafenbatterivirksomheden NanoGraf, til Futurism. Teknologien, sagde han, kan “gøre batterier hurtigere opladning og aflede varmen mere effektivt”. Det har store konsekvenser. Det betyder, at elværktøj ikke overophedes så hurtigt. Det betyder, at husholdningsapparater tjener familierne bedre og længere. Og det betyder i sidste ende, at de kan oplades hurtigere.”

“Grafen kan i bund og grund spille en central rolle i en bæredygtig, elektrisk fremtid”, tilføjede Breitenkamp.

Den hurtige opladning er ikke det eneste salgsargument. I laboratoriet siger NanoGraf, at dets grafenbatterier viser en 50 procent forøgelse af driftstiden sammenlignet med konventionelle lithium-ion-batterier, et fald på 25 procent i kulstoffodaftryk og halvdelen af den vægt, der er nødvendig for at levere den samme effekt.

Den grundlæggende idé kommer ned til kemi. I løbet af årtier kom batteriproducenterne til at omfavne lithium frem for silicium, fordi det har en høj elektrisk kapacitet. Men lithium har to vigtige problemer. Det leder elektricitet dårligt og har en tendens til at deformere sig fysisk, når det aflades, og i sidste ende skæres og knækkes. Begge problemer løses ved at blande eller belægge lithium med grafen – eller, senest, beslægtede nanomaterialer som grafenoxider og reducerede grafenoxider – og løse begge problemer. Grafen er meget ledende, så elektriciteten kan flyde, og det er stift, så det hjælper lithiumet med at holde sin form, så batteriet kan holde længere.

“Grafen har en meget høj elektronisk ledningsevne, så når du lægger det i din siliciumanode, stiger ledningsevnen virkelig,” sagde Christos Athanasiou, en ingeniør ved Brown University, der har offentliggjort forskning om grafenbatterier, til Futurism. “Og grafen har virkelig gode mekaniske egenskaber – det er virkelig, virkelig stærkt. Så når anoden udvider sig, forhindrer grafen i det væsentlige disse volumenvariationer, så den tillader ikke siliciumanoden at udvide sig så meget, så den ikke går i stykker.”

En anden fordel: Fordi grafenets robusthed giver batterierne så mange flere livscyklusser end et konventionelt batteri, siger fortalerne, kan de “skubbe” dem hårdere og oplade dem hurtigere med en kraftigere elektrisk strøm. De vil blive nedbrudt hurtigere, men deres mange afladningscyklusser giver dem stadig en længere levetid end konventionelle batterier.

Nanograf er ikke den eneste nystartede virksomhed, der siger, at den er på vej mod et praktisk grafenbatteri. Samuel Gong, administrerende direktør for konkurrenten Real Graphene, fortalte Futurism, at han mener, at hans virksomheds teknologi kunne oplade en bil på langt under en time.

“Vi har også et større budget af livscyklusser, som vi kan ofre, fordi folk normalt ikke beholder deres produkter mere end et par år, højst sandsynligt,” sagde Gong. “Et grafenbatteri kan tage meget mere straf på en måde, hvilket muliggør denne ekstra livscyklus. Vi kan presse det meget hårdere.”

Resultatet, siger han, er et billigt batteri med enormt øget energitæthed og ydeevne.

“Jeg tror, at det er lige så vigtigt for teknologiens udvikling som noget som plastik,” sagde Gong, “hvor det i fremtiden kan anvendes på næsten alt.”

Løfterne er enorme, men samtidig kan de specifikke påstande begynde at se uklare ud. Nanograf siger, at det allerede arbejder sammen med et elværktøjsfirma og et firma, der fremstiller batterier til elektriske køretøjer, for at bringe sin teknologi på markedet, men sagde, at det ikke kunne nævne specifikke partnere.

Og Gong fortalte os, at Real Graphene allerede er i gang med at afprøve busser drevet af Graphene-batterier i Shanghai i Kina – men da vi spurgte om detaljer om programmet, f.eks. hvem der kører busserne, og om batterierne lever op til deres imponerende tekniske løfter, afviste han at kommentere.

I en større sammenhæng blev grafen først isoleret i 2004. Hvorfor det store skub til at putte det i alting nu?

“De sidste 15-20 år har stort set hele energilagringssamfundet arbejdet meget med at finde ud af, hvordan man laver et godt nanokompositmateriale, hvordan man får denne siliciumgraphenanode til at have de ønskede egenskaber,” sagde Athanasiou. “Så i de seneste år er det blevet lettere at fremstille grafen, og der findes andre nanomaterialer baseret på grafen, som f.eks. grafenoxid.”

“Disse nanomaterialer giver endnu bedre egenskaber,” tilføjede han. “Grafenoxid blander sig f.eks. bedre med silicium. Og så viste det sig, at når man bruger reduceret grafenoxid, giver det endnu bedre egenskaber.”

Med andre ord har grafen været i en evig tilstand af “lige ved at være klar til at revolutionere verden” i årevis. Men med produktionsomkostningerne, der er på vej nedad, har flere startups fortalt Futurism, at deres batterier vil være til salg i små enheder som elværktøj allerede næste år. Derefter planlægger de at blive endnu mere ambitiøse.

“De batterier, der skal indgå i elbiler, kræver ekstremt lange testcyklusser”, sagde Breitenkamp fra NanoGraf til Futurism. “Så du kan forestille dig, at disse batterier skal testes i mindst tre til fire år. Det handler ikke om at få vores teknologi til at fungere i et EV lige nu. Vi tror fuldt ud på, at det ville den, men det er et spørgsmål om al den validering, der er nødvendig for at komme ind i et EV.”

“Det er ikke et spørgsmål om, hvorvidt det virker, det er et spørgsmål om, hvor lang tid det tager, før det får tommelfingeren opad for ting som sikkerhed og levetid,” tilføjede Breitenkamp.

Det er muligt, at grafenbatterier tiltrækker interesse uden for startup-fællesskabet. Faktisk spekulerede flere eksperter, der blev interviewet til denne historie, at Tesla måske i hemmelighed eksperimenterer med den samme teknologi – selv om de alle understregede, at teorien blot var en formodning.

“Jeg er ikke i tvivl om, at Tesla arbejder på denne form for teknologi,” sagde Gong og tilføjede, at det måske er en større udfordring at bygge tilstrækkeligt kraftige opladere end at lave selve grafenbatterierne.

“Det vil de sandsynligvis gøre, men alle disse ting er super fortrolige,” sagde Athanasiou. “Ingen uden for virksomheden vil virkelig vide det.”

Tesla, som for nylig opløste hele sin public relations-afdeling, bekræftede ikke Futurism’s spørgsmål eller anmodning om kommentarer. Men uanset om Tesla arbejder på grafenbatterier, er der mange tekniske udfordringer, der skal løses, før de vil være brugbare som et forbrugerprodukt.

Et praktisk problem, sagde Gong, ville være, at hvis det lykkedes en stor bilproducent at udvikle markedsklare grafenbatterier, ville det enorme træk ved opladning risikere at overvælde den elektriske infrastruktur fuldstændigt.

“Elnettet kan knap nok håndtere det, vi har lige nu, i det mindste når vi taler om Bay Area. Det er bare noget, jeg ikke rigtig kan se ske, bare fordi det er bare så meget strøm,” sagde Gong. “Det er ikke bare at bygge et atomkraftværk og sige, at vi har strømmen. Det er også strømforsyningen: om byens ledninger overhovedet kan håndtere denne strømforøgelse.”

Der er også, indrømmer alle, stadig tekniske problemer, som skal løses. Et af dem, sagde Breitenkamp, er, at hvis batterierne presses for hårdt, kan det medføre problemer som f.eks. dendritisk krybning – i bund og grund en intern kortslutning. Men flere eksperter fortalte Futurism, at dendritisk krybning kan løses med, du gættede det, mere grafen.

Selv om det at putte mere grafen ind blokerer dendritisk krybning, er der dog fortsat problemer med fremstillingen. Forskellige virksomheder bruger forskellige tricks til faktisk at belægge eller implementere batterier i grafen, men konsistens er en udfordring uanset metoden.

Lang historie kort sagt, sagde Athanasiou, kan forskere lave rigtig gode prototyper i laboratoriet – men at gå over til masseproduktion af færdige produkter er en helt anden udfordring.

“Det, jeg kan fortælle dig, er, at videnskaben er der,” sagde Athanasiou. “Men teknologimæssigt er den ikke klar endnu. Vi ved, hvordan vi kan lave disse nanokomposit-siliciumgraphener, men hvordan vi kan gøre dem reproducerbare – det er en stor udfordring.”

Og så er der selvfølgelig den hype, der har drevet grafen fremad og opretholdt interessen for det siden dets opdagelse. Det er blevet omdannet til jakker, udråbt som en kilde til uendelig elektricitet og endda som en måde til øjeblikkelig afsaltning af vand.

En del af det er nødvendigheden af, at videnskabsfolk har brug for at skabe interesse for deres arbejde, sagde Greg Less, den tekniske direktør for University of Michigan Energy Institute’s Battery User Laboratory. Men han sagde også, at han ikke er sikker på, hvor nyttige grafenbatterier vil ende med at blive. Grafen er ikke Less’ specifikke ekspertise, gjorde han klart, men han er mistænksom over for, at det måske vil forsvinde som endnu en modefænomen.

Han nævnte kulstofnanorør – “mirakelmaterialet” fra tidligere – som et eksempel. Kulstofnanorør er i bund og grund bare stykker af grafen rullet sammen til rør, og der blev fremsat mange dristige påstande om, hvordan det også ville revolutionere samfundet.

” en slags gee-whiz-materiale lige nu,” sagde Less. “Vil der ske forbedringer? Ja. Vil disse forbedringer være nok til at fortrænge en billigere, mere tilgængelig mulighed? Sandsynligvis ikke. Måske. Jeg ved det ikke. Jeg ved det ikke.”

Kort sagt, hypen omkring grafen slører grafenets fremtid. Det er vanskeligt at adskille nanomaterialets reelle nytteværdi fra velmenende bestræbelser, som i sidste ende vil falde til jorden. Men vi er nødt til at rydde op i vores miljølovgivning på en eller anden måde, og hvis vi ønsker at afværge de mest ødelæggende virkninger af klimaændringerne, kan vi ende med at få brug for et langskudt Hail Mary eller to. Hvis bare en brøkdel af det, som grafenforkæmperne siger er muligt, ender med at ske, vil det virkelig være et værdifuldt våben i kampen mod fossile brændstoffer.

“Vi er bare begejstrede for at se elektrificering blive en realitet,” sagde Breitenkamp om graphenes potentiale til at revolutionere elbiler. “I de sidste ti år har det ligesom virket i æteren. At være i stand til at lave en bil, der er overkommelig nok til at kunne stå i alles garager, vil ændre en masse ting. Det vil ændre fortællingen om klimaforandringer og endda arbejdspladser.”

Mere om ren energi: Sugar, Light, And A New Type of Chemistry – What It May Take To Wean Us Off Fossil Fuels