Ha a grafén akkumulátorok mindent megtesznek, amit a tudósok mondanak, akkor megváltoztathatják a világot

Képzeljük el, hogy az autópályán cirkálsz az új elektromos autóddal, amely a legújabb grafén akkumulátorral van felszerelve. Észreveszed, hogy fogytán a nafta, ezért megállsz egy pihenőnél, bedugod, és bemész egy pizzát enni.

Mire végzel, és visszatérsz, az autód már majdnem fel van töltve – és készen áll egy újabb megszakítás nélküli 300 mérföldre.

Ez a közlekedés jövője, amit egyes csillagszemű tudósok azt ígérik, hogy hamarosan eljön. Azt mondják, hogy az akkumulátorok grafénnel – egy mindössze egy atom vastagságú szénlemezzel – való feltöltésével az elektromos szerszámoktól kezdve az elektromos autókig minden gyorsabban töltődik, több energiát tárol, kevesebbe kerül, és talán még abban is segít, hogy a civilizáció végre eltávolodjon a bolygót pusztító fosszilis tüzelőanyagoktól. És ezek a csodálatos akkumulátorok, azt mondják, valamikor a jövő évben kezdhetik meg a bevezetésüket.

“A grafén egy csodálatos anyag, és különösen csodálatos, mint az akkumulátorok anyaga” – mondta a Futurismnek Chip Breitenkamp, polimerológus és a NanoGraf grafén akkumulátorgyártó cég üzleti fejlesztési alelnöke. Szerinte a technológia “gyorsabbá teheti az akkumulátorok töltését és hatékonyabbá teheti a hőelvezetést. Ennek nagy következményei vannak. Ez azt jelenti, hogy az elektromos szerszámok nem melegednek túl gyorsan. Ez azt jelenti, hogy az otthoni készülékek jobban és hosszabb ideig szolgálják a családokat. És végül azt jelenti, hogy gyorsabban tudnak töltődni.”

“Lényegében a grafén központi szerepet játszhat a fenntartható, elektromos jövő energiaellátásában” – tette hozzá Breitenkamp.

A gyors töltés nem az egyetlen érv. A laboratóriumban a NanoGraf szerint a grafén akkumulátorai 50 százalékkal hosszabb üzemidőt mutatnak a hagyományos lítium-ionos akkumulátorokhoz képest, 25 százalékkal csökken a szén-dioxid-kibocsátás, és feleannyi súlyra van szükség ugyanahhoz a teljesítményhez.

Az alapötlet a kémián múlik. Az évtizedek során az akkumulátorgyártók a szilíciummal szemben a lítiumot választották, mivel az nagy elektromos kapacitással rendelkezik. A lítiumnak azonban két fő problémája van. Rosszul vezeti az elektromosságot, és kisülés közben hajlamos a fizikai deformációra, ami végül nyírásra és repedésre vezet. A lítium grafénnel – vagy újabban olyan rokon nanoanyagokkal, mint a grafén-oxidok és a redukált grafén-oxidok – való keverése vagy bevonása mindkét problémát megoldja. A grafén nagyfokú vezetőképességgel rendelkezik, ami lehetővé teszi az elektromosság áramlását, és merev, így segít a lítiumnak megtartani az alakját, így az akkumulátor tovább bírja.

“A grafén nagyon nagy elektronikus vezetőképességgel rendelkezik, így amikor a szilícium anódba tesszük, a vezetőképesség valóban megnő” – mondta a Futurismnek Christos Athanasiou, a Brown Egyetem mérnöke, aki grafén akkumulátorokkal kapcsolatos kutatásokat publikált. “És a grafénnek nagyon jó mechanikai tulajdonságai vannak – nagyon-nagyon erős. Tehát amikor az anód tágul, a grafén lényegében megakadályozza ezeket a térfogatváltozásokat, így nem engedi, hogy a szilícium anód annyira táguljon, így nem fog eltörni.”

Egy másik előny: Mivel a grafén szilárdsága sokkal több életciklust biztosít az akkumulátoroknak, mint egy hagyományos akkumulátornak, mondják a szószólók, keményebben “nyomhatják” őket, és gyorsabban tölthetik őket erősebb elektromos árammal. Gyorsabban lebomlanak, de a rengeteg kisütési ciklus még mindig hosszabb élettartamot biztosít számukra, mint a hagyományos akkumulátoroknak.

A Nanograf nem az egyetlen startup, amely azt állítja, hogy a grafén akkumulátorok gyakorlati megvalósítását tűzte ki célul. Samuel Gong, a versenytárs Real Graphene vezérigazgatója a Futurismnek elmondta, hogy szerinte cége technológiája jóval kevesebb mint egy óra alatt fel tudna tölteni egy autót.

“Nekünk is nagyobb az életciklusok költségvetése, amit fel tudunk áldozni, mert az emberek általában nem tartják meg a termékeiket néhány évnél tovább, valószínűleg” – mondta Gong. “Egy grafén akkumulátor bizonyos értelemben sokkal több büntetést bír el, ami lehetővé teszi ezt az extra életciklust. Sokkal keményebbre tudjuk nyomni.”

Az eredmény szerinte egy olcsó akkumulátor, amelynek energiasűrűsége és teljesítménye jelentősen megnövekedett.

“Azt hiszem, ugyanolyan fontos a technológia fejlődése szempontjából, mint például a műanyagé” – mondta Gong – “ahol a jövőben szinte mindenre alkalmazható lesz.”

Az ígéretek hatalmasak, de ugyanakkor a konkrét állítások kezdhetnek homályosnak tűnni. A Nanograf azt mondja, hogy már együttműködik egy elektromos szerszámgyártó céggel és egy elektromos járművekhez akkumulátorokat gyártó vállalattal, hogy technológiáját piacra dobja, de azt mondta, hogy konkrét partnereket nem tud megnevezni.

A Gong pedig elmondta, hogy a Real Graphene már teszteli a grafén akkumulátorokkal működő buszokat a kínai Sanghajban – de amikor a program részleteiről kérdeztük, például arról, hogy ki üzemelteti a buszokat, és hogy az akkumulátorok beváltják-e az impozáns műszaki ígéreteket, nem kívánt nyilatkozni.

Tágabb értelemben a grafént először 2004-ben izolálták. Miért most a nagy nyomás, hogy mindenbe beletegyék?

“Az elmúlt 15-20 évben alapvetően az egész energiatároló közösség sokat foglalkozott azzal, hogyan lehet jó nanokompozit anyagot készíteni, hogyan lehet ezt a szilícium-gráfén anódot a kívánt tulajdonságokkal ellátni” – mondta Athanasiou. “Tehát az utóbbi években könnyebbé vált a grafén előállítása, és vannak más grafén alapú nanoanyagok, például grafén-oxid.”

“Ezek a nanoanyagok még jobb tulajdonságokkal rendelkeznek” – tette hozzá. “A grafén-oxid például jobban keveredik a szilíciummal. Aztán kiderült, hogy ha redukált grafén-oxidot használunk, az még jobb tulajdonságokat kínál.”

Más szóval a grafén évek óta a “majdnem kész forradalmasítani a világot” örökös állapotában van. De mivel a gyártási költségek csökkenő tendenciát mutatnak, több startup is azt nyilatkozta a Futurismnek, hogy akkumulátoraik már jövőre megvásárolhatók lesznek kis eszközökben, például elektromos szerszámokban. Ezt követően még ambiciózusabb terveket szőnek.

“Az elektromos autókba kerülő akkumulátorok rendkívül hosszú tesztciklusokat igényelnek” – mondta Breitenkamp a NanoGraf-tól a Futurismnek. “Tehát elképzelhető, hogy ezeket az akkumulátorokat legalább három-négy évig kell tesztelni. Nem arról van szó, hogy a technológiánkat most rögtön egy EV-ben használjuk. Teljes mértékben hiszünk benne, hogy működne, de az EV-be való bekerüléshez szükséges összes validáció kérdése.”

“Nem az a kérdés, hogy működik-e, hanem az, hogy mennyi időbe telik, amíg olyan dolgokra, mint a biztonság és a hosszú élettartam, hüvelykujjat kap” – tette hozzá Breitenkamp.”

Ez lehetséges, hogy a grafén akkumulátorok a startup közösségen kívül is felkeltik az érdeklődést. Valójában több, a cikkhez megkérdezett szakértő azt feltételezte, hogy a Tesla titokban ugyanezzel a technológiával kísérletezik – bár mindannyian hangsúlyozták, hogy az elmélet csak feltételezés.

“Nincs kétségem afelől, hogy a Tesla dolgozik egy ilyen technológián” – mondta Gong, hozzátéve, hogy a kellően erős töltők megépítése nagyobb kihívás lehet, mint maguknak a grafén akkumulátoroknak a gyártása.

“Valószínűleg fognak, de ezek a dolgok szuper bizalmasak” – mondta Athanasiou. “A vállalaton kívül senki sem tudhat róla.”

A Tesla, amely nemrégiben feloszlatta teljes PR-részlegét, nem válaszolt a Futurism kérdéseire vagy kommentárkérésére. De függetlenül attól, hogy a Tesla dolgozik-e grafén akkumulátorokon, számos technikai kihívást kell megoldani, mielőtt fogyasztói termékként hasznos lenne.

Az egyik gyakorlati probléma, mondta Gong, az lenne, hogy ha egy nagy autógyártónak sikerülne piacképes grafén akkumulátorokat kifejlesztenie, a töltés hatalmas vonzása azzal a kockázattal járna, hogy teljesen túlterhelné az elektromos infrastruktúrát.

“Az elektromos hálózat alig tudja kezelni azt, ami most van, legalábbis ha a Bay Area-ról beszélünk. Ezt nem igazán tudom elképzelni, csak azért, mert ez olyan sok energiát jelent” – mondta Gong. “Nem arról van szó, hogy megépítünk egy atomerőművet, és azt mondjuk, hogy megvan az áram. Hanem az energiaellátásról is: hogy a város vezetékei egyáltalán képesek-e kezelni ezt az energiahullámot.”

Mindenki elismeri, hogy vannak még technikai problémák, amelyeket meg kell oldani. Az egyik, mondta Breitenkamp, hogy ha az akkumulátorokat túl erősen nyomják, az olyan problémákat okozhat, mint a dendritikus kúszás – lényegében egy belső rövidzárlat. De több szakértő is elmondta a Futurismnek, hogy a dendritikus kúszás megoldható, kitaláltad, több grafénnel.

Még ha a több grafén beépítése meg is akadályozza a dendritikus kúszást, vannak még fennmaradó gyártási problémák. A különböző vállalatok különböző trükköket alkalmaznak az akkumulátorok grafénnel való bevonására vagy kivitelezésére, de a konzisztencia a módszertantól függetlenül kihívást jelent.

A hosszú történet röviden, Athanasiou szerint a tudósok nagyon jó prototípusokat tudnak készíteni a laboratóriumban – de a késztermékek tömeggyártása már egy teljesen más kihívás.

“Amit elmondhatok, az az, hogy a tudomány ott van” – mondta Athanasiou. “Technológiailag azonban még nem áll készen. Tudjuk, hogyan kell ezeket a nanokompozit szilícium-gráféneket előállítani, de hogyan tudjuk reprodukálhatóvá tenni őket – ez még nagy kihívás.”

És persze ott van a hype, amely a grafén felfedezése óta előreviszi és fenntartja az iránta való érdeklődést. A grafénből kabátokat csináltak, a végtelen elektromosság forrásaként reklámozták, és még a víz azonnali sótalanításának módjaként is emlegetik.

Ez részben annak köszönhető, hogy a tudósoknak fel kell kelteniük az érdeklődést a munkájuk iránt, mondta Greg Less, a Michigani Egyetem Energetikai Intézetének akkumulátor-felhasználói laboratóriumának műszaki igazgatója. De azt is mondta, hogy nem biztos benne, hogy a grafén akkumulátorok végül mennyire lesznek hasznosak. A grafén nem Less speciális szakterülete, tette világossá, de gyanús neki, hogy újabb hóbortként elhalványulhat.

Példaként a szén nanocsöveket – a múlt “csodaanyagát” – hozta fel. A szén nanocsövek lényegében nem mások, mint csövekké feltekert graféndarabok, és sok merész állítás hangzott el arról, hogy ez forradalmasítani fogja a társadalmat is.

“amolyan gee-whiz anyag most” – mondta Less. “Lesznek még fejlesztések? Lesznek javulások? Elégségesek lesznek ezek a fejlesztések ahhoz, hogy kiszorítsanak egy olcsóbb, elérhetőbb opciót? Valószínűleg nem. Talán nem. Nem tudom. Nem tudom.”

Dióhéjban, a grafén körüli felhajtás elhomályosítja a jövőjét. Nehéz elválasztani a nanoanyag valódi hasznosságát a jó szándékú törekvésektől, amelyek végül elmaradnak. De valahogy meg kell tisztítanunk a környezetünket, és ha el akarjuk kerülni az éghajlatváltozás legpusztítóbb hatásait, akkor lehet, hogy szükségünk lesz egy-két hosszútávú Ave Mariára. Ha csak egy töredéke is megvalósul annak, amit a grafén szószólói lehetségesnek tartanak, az valóban értékes fegyver lesz a fosszilis tüzelőanyagok elleni harcban.

“Egyszerűen izgatottak vagyunk, hogy a villamosítás valósággá válik” – mondta Breitenkamp a grafén elektromos autók forradalmasításában rejlő lehetőségeiről. “Az elmúlt tíz évben úgy tűnt, mintha az éterben lenne. Ha képesek leszünk olyan autót készíteni, amely elég megfizethető ahhoz, hogy mindenki garázsába betehessük, az sok mindent megváltoztat majd. Ez megváltoztatja a klímaváltozásról és még a munkahelyekről szóló narratívát is.”

Tovább a tiszta energiáról: