Jos grafeeniparistot tekevät kaiken, mitä tutkijat sanovat, ne voivat muuttaa maailmaa

Kuvittele, että ajelet moottoritietä pitkin uudella sähköautollasi, joka on varustettu uusimmalla grafeeniparistolla. Huomaat, että bensa alkaa olla vähissä, joten pysähdyt levähdyspaikalle, kytket sen verkkovirtaan ja menet sisälle syömään pizzaa.

Kun olet lopettanut ja palannut ulos, autosi on jo lähes ladattu – ja valmiina ajamaan vielä toiset 300 kilometriä yhtäjaksoisesti.

Tämä on liikenteen tulevaisuus, jonka tietyt tähtisilmäiset tiedemiehet lupaavat olevan tulossa pian. He sanovat, että supertehostamalla akut grafeenilla – vain yhden atomin paksuisella hiililevyllä – kaikki sähkötyökaluista sähköautoihin latautuu nopeammin, kestää enemmän virtaa, maksaa vähemmän ja ehkä jopa auttaa sivilisaatiota vihdoin luopumaan planeettaa tuhoavista fossiilisista polttoaineista. Ja näiden ihmeellisten akkujen käyttöönotto voisi heidän mukaansa alkaa joskus ensi vuonna.

”Grafeeni on uskomaton materiaali, ja se on erityisen uskomaton akkujen materiaalina”, kertoi Futurismille Chip Breitenkamp, polymeeritutkija ja grafeeni-akkuyritys NanoGrafin liiketoiminnan kehittämisen varapuheenjohtaja. Hänen mukaansa tekniikka voi ”saada akut latautumaan nopeammin ja haihduttamaan lämpöä tehokkaammin”. Tällä on suuria vaikutuksia. Se tarkoittaa, että sähkötyökalut eivät kuumene yhtä nopeasti. Se tarkoittaa, että kodinkoneet palvelevat perheitä paremmin ja pidempään. Ja lopulta se tarkoittaa, että akut voivat latautua nopeammin.”

”Pohjimmiltaan grafeenilla voi olla keskeinen rooli kestävän, sähköisen tulevaisuuden voimanlähteenä”, Breitenkamp lisäsi.

Pikalataus ei ole ainoa myyntivaltti. Laboratoriossa NanoGraf sanoo, että sen grafeeniakut osoittavat 50 prosentin lisäystä käyttöaikaan verrattuna perinteisiin litiumioniakkuihin, 25 prosentin vähennystä hiilijalanjälkeen ja puolet vähemmän painoa, joka tarvitaan saman tehon tuottamiseen.

Perusidea perustuu kemiaan. Vuosikymmenten kuluessa akunvalmistajat alkoivat suosia litiumia piin sijaan, koska sen sähkökapasiteetti on suuri. Litiumilla on kuitenkin kaksi keskeistä ongelmaa. Se johtaa huonosti sähköä ja pyrkii purkautuessaan muodonmuutoksiin, jotka johtavat lopulta leikkautumiseen ja halkeiluun. Litiumin sekoittaminen tai päällystäminen grafeenilla – tai viime aikoina siihen liittyvillä nanomateriaaleilla, kuten grafeenioksideilla ja pelkistetyillä grafeenioksideilla – ratkaisee molemmat ongelmat. Grafeeni on hyvin johtavaa, jolloin sähkö pääsee virtaamaan, ja jäykkää, joten se auttaa litiumia pitämään muotonsa, jolloin akku kestää pidempään.

”Grafeenilla on erittäin korkea elektroninen johtavuus, joten kun se laitetaan piianodin sisään, johtavuus todella kasvaa”, sanoi Futurismille Brownin yliopiston insinööri Christos Athanasiou, joka on julkaissut tutkimustuloksia grafeeniakuista. ”Lisäksi grafeenilla on todella hyvät mekaaniset ominaisuudet – se on todella, todella vahva. Joten kun anodi laajenee, grafeeni olennaisesti estää näitä tilavuusvaihteluita, joten se ei anna piianodin laajeta niin paljon, jotta se ei rikkoontuisi.”

Toinen hyöty: Koska grafeenin kestävyys antaa akuille niin paljon enemmän elinkaaria kuin tavalliselle akulle, kannattajat sanovat, että he voivat ”työntää” akkuja kovemmin ja ladata niitä nopeammin voimakkaammalla sähkövirralla. Ne hajoavat nopeammin, mutta purkautumissyklien runsaus takaa niille silti pidemmän käyttöiän kuin tavanomaisille akuille.

Nanograf ei ole ainoa startup-yritys, joka sanoo tähtäävänsä käytännölliseen grafeeniparistoon. Kilpailija Real Graphenen toimitusjohtaja Samuel Gong kertoi Futurismille uskovansa, että hänen yrityksensä teknologia voisi ladata auton reilusti alle tunnissa.

”Meillä on myös suurempi budjetti elinkaarisyklejä, jotka voimme uhrata, koska ihmiset eivät yleensä säilytä tuotteitaan muutamaa vuotta pidempään, todennäköisimmin”, Gong sanoi. ”Grafeeniparisto kestää tavallaan paljon enemmän rangaistusta, mikä mahdollistaa tuon ylimääräisen elinkaaren. Voimme työntää sitä paljon kovemmin.”

Tuloksena on hänen mukaansa halpa akku, jonka energiatiheys ja suorituskyky ovat huomattavasti suuremmat.

”Uskon, että se on aivan yhtä tärkeää teknologian kehitykselle verrattuna esimerkiksi muoviin”, Gong sanoi, ”jossa sitä voidaan tulevaisuudessa soveltaa lähes kaikkeen.”

Lupaukset ovat valtavia, mutta samalla konkreettiset väittämät alkavat tuntua epäselviltä. Nanograf sanoo, että se tekee jo yhteistyötä sähkötyökaluja valmistavan yrityksen ja sähköajoneuvojen akkuja valmistavan yrityksen kanssa tuodakseen teknologiansa markkinoille, mutta sanoi, ettei se voi nimetä tarkkoja kumppaneita.

Ja Gong kertoi meille, että Real Graphene pilotoi jo grafeeniparistoilla toimivia busseja Shanghaissa, Kiinassa – mutta kun kysyimme yksityiskohtia ohjelmasta, kuten kuka busseja käyttää ja ovatko akut täyttämässä mahtipontisia teknisiä lupauksiaan, hän kieltäytyi kommentoimasta.

Yleistä laajemmassa mielessä grafeeni eristettiin ensimmäisen kerran vuonna 2004. Miksi sitä halutaan laittaa kaikkeen nyt?

”Viimeisten 15-20 vuoden aikana periaatteessa koko energiavarastointiyhteisö on tehnyt paljon työtä sen parissa, miten tehdä hyvä nanokomposiittimateriaali, miten saada piigrafeenianodilla aikaan halutut ominaisuudet”, Athanasiou sanoi. ”Viime vuosina grafeenin valmistaminen on siis helpottunut, ja on olemassa muitakin grafeeniin perustuvia nanomateriaaleja, kuten grafeenioksidia.”

”Nämä nanomateriaalit tarjoavat vielä parempia ominaisuuksia”, hän lisäsi. ”Grafeenioksidi sekoittuu paremmin esimerkiksi piin kanssa. Ja sitten kävi ilmi, että kun käytetään pelkistettyä grafeenioksidia, se tarjoaa vielä parempia ominaisuuksia.”

Muilla sanoilla grafeeni on ollut jo vuosia jatkuvassa ”juuri ja juuri valmis mullistamaan maailman” -tilassa. Mutta valmistuskustannusten ollessa laskusuunnassa useat startup-yritykset kertoivat Futurismille, että niiden akut ovat myynnissä pienissä laitteissa, kuten sähkötyökaluissa, jo ensi vuonna. Sen jälkeen ne aikovat ryhtyä vielä kunnianhimoisemmiksi.

”Akut, jotka menevät sähköautoihin, vaativat äärimmäisen pitkiä testisyklejä”, Breitenkamp NanoGrafista kertoi Futurismille. ”Voit siis kuvitella, että näitä akkuja on testattava vähintään kolmesta neljään vuotta. Kyse ei ole siitä, että saisimme teknologiamme toimimaan EV:ssä juuri nyt. Uskomme täysin, että se toimisi, mutta kyse on kaikesta tarvittavasta validoinnista, ennen kuin se pääsee EV:hen.”

”Kyse ei ole siitä, toimiiko se, vaan siitä, kuinka kauan kestää, ennen kuin se saa peukut pystyyn sellaisissa asioissa kuin turvallisuus ja pitkäikäisyys”, Breitenkamp lisäsi.”

On mahdollista, että grafeeniakut herättävät kiinnostusta muillakin tahoilla kuin startup-yritysten piirissä. Itse asiassa useat tätä juttua varten haastatellut asiantuntijat arvelivat, että Tesla saattaa salaa kokeilla samaa teknologiaa – vaikka he kaikki korostivat, että teoria oli vain arvailua.

”En epäile, etteikö Tesla työskentelisi tämänkaltaisen teknologian parissa”, Gong sanoi ja lisäsi, että riittävän tehokkaiden latureiden rakentaminen saattaa olla suurempi haaste kuin itse grafeeniakkujen valmistaminen.

”Todennäköisesti niin tehdäänkin, mutta kaikki nämä asiat ovat supersalaisuuden piiriin kuuluvia”, Athanasiou sanoi. ”Kukaan yhtiön ulkopuolinen ei oikeastaan tiedä.”

Tesla, joka hiljattain lakkautti koko PR-osastonsa, ei vastannut Futurismin kysymyksiin tai kommenttipyyntöön. Mutta riippumatta siitä, työskenteleekö Tesla grafeeniakkujen parissa, on olemassa lukuisia teknisiä haasteita, jotka on ratkaistava ennen kuin ne olisivat käyttökelpoisia kuluttajatuotteena.

Yksi käytännön ongelmaksi Gongin mukaan muodostuisi se, että jos suuri autonvalmistaja onnistuisi kehittämään markkinalle kelpaavat grafeeniakut, latauksen valtava vetovoima uhkaisi hukuttaa sähköinfrastruktuurin täysin.

”Sähköverkko tuskin edes pystyy käsittelemään sitä, mitä meillä on tällä hetkellä, ainakin kun puhutaan Bay Areasta. En oikein näe sen tapahtuvan vain siksi, että tehoa on niin paljon”, Gong sanoi. ”Ei ole kyse vain siitä, että rakennetaan ydinvoimalaa ja sanotaan, että meillä on tehoa. Kyse on myös virran toimittamisesta: kestävätkö kaupungin johdotukset edes tuon virtapiikin.”

Kaikki myöntävät, että on myös teknisiä ongelmia, jotka on ratkaistava. Yksi niistä on Breitenkampin mukaan se, että akkujen liian kova rasitus voi aiheuttaa ongelmia, kuten dendriittistä hiipumista, joka on käytännössä sisäinen oikosulku. Mutta useat asiantuntijat kertoivat Futurismille, että dendriittinen viruminen voidaan ratkaista, arvaatte varmaan, lisäämällä grafeenia.

Jopa jos grafeenin lisääminen estää dendriittisen virumisen, valmistukseen liittyy kuitenkin vielä ongelmia. Eri yritykset käyttävät erilaisia temppuja päällystääkseen tai toteuttaakseen akut grafeenilla, mutta johdonmukaisuus on haaste menetelmästä riippumatta.

Lyhyesti sanottuna, Athanasiou sanoi, että tutkijat voivat tehdä todella hyviä prototyyppejä laboratoriossa – mutta siirtyminen valmiiden tuotteiden massatuotantoon on täysin erillinen haaste.

”Voin kertoa, että tiede on olemassa”, Athanasiou sanoi. ”Teknologisesti se ei kuitenkaan ole vielä valmis. Tiedämme, miten tehdä näitä nanokomposiittisia piigrafiineja, mutta miten saamme ne toistettaviksi – se on suuri haaste.”

Ja tietysti on vielä se hype, joka on vienyt grafeenia eteenpäin ja ylläpitänyt kiinnostusta sitä kohtaan sen löytämisestä lähtien. Siitä on tehty takkeja, sitä on mainostettu äärettömän sähkön lähteenä ja jopa keinona suolanpoistoon hetkessä.

Tässä on osittain kyse siitä, että tutkijoiden on pakko herättää kiinnostusta työhönsä, sanoo Michiganin yliopiston energiainstituutin akkujen käyttölaboratorion tekninen johtaja Greg Less. Mutta hän sanoi myös, ettei ole varma, kuinka hyödyllisiä grafeeniparistot lopulta ovat. Grafeeni ei ole Lessin erityisasiantuntemusta, hän teki selväksi, mutta hän epäilee, että se saattaa hiipua jälleen yhdeksi muotivillitykseksi.

Hän mainitsi esimerkkinä hiilinanoputket – menneen ajan ”ihmeaine”. Hiilinanoputket ovat periaatteessa vain putkiksi rullattuja grafeenipaloja, ja monet rohkeat väitteet esitettiin siitä, miten se mullistaisi myös yhteiskunnan.

”eräänlainen gee-whiz-materiaali juuri nyt”, Less sanoi. ”Tuleeko parannuksia? Kyllä. Riittävätkö nämä parannukset syrjäyttämään halvemman, helpommin saatavilla olevan vaihtoehdon? Todennäköisesti ei. Ehkä. En tiedä. En tiedä.”

Lyhyesti sanottuna grafeenia ympäröivä hype peittää alleen sen tulevaisuuden. Nanomateriaalin todellisen hyödyn erottaminen hyvää tarkoittavista pyrkimyksistä, jotka lopulta jäävät vajaiksi, on vaikeaa. Meidän on kuitenkin jotenkin siivottava ympäristötekojamme, ja jos haluamme estää ilmastonmuutoksen tuhoisimmat vaikutukset, saatamme päätyä tarvitsemaan yhden tai kaksi pitkälle menevää Hail Marya. Jos edes murto-osa siitä, mitä grafeenin puolestapuhujat pitävät mahdollisena, toteutuu, se on todellakin arvokas ase taistelussa fossiilisia polttoaineita vastaan.

”Olemme vain innoissamme nähdessämme, että sähköistämisestä tulee todellisuutta”, Breitenkamp sanoi grafeenin mahdollisuuksista mullistaa sähköautot. ”Viimeiset kymmenen vuotta se on tuntunut olevan ikään kuin taivaan tuuliin. Se, että pystymme tekemään auton, joka on tarpeeksi edullinen kaikkien autotalliin, muuttaa monia asioita. Se muuttaa ilmastonmuutosta ja jopa työpaikkoja koskevaa kertomusta.”

Lisää puhtaasta energiasta: