Als grafeenbatterijen alles doen wat wetenschappers zeggen, kunnen ze een spelbreker zijn

Stel je voor dat je op de snelweg rijdt in je nieuwe elektrische auto, uitgerust met de nieuwste grafeenbatterij. Je merkt dat je bijna geen stroom meer hebt, dus je stopt bij een parkeerplaats, sluit de stekker aan en gaat naar binnen om een pizza te eten.

Tegen de tijd dat je klaar bent en weer naar buiten gaat, is je auto al bijna opgeladen – en klaar voor nog eens 300 mijl zonder onderbreking.

Dit is de toekomst van vervoer die bepaalde wetenschappers met sterallures beloven. Zij zeggen dat door batterijen te versterken met grafeen – een laag koolstof van slechts één atoom dik – alles, van elektrisch gereedschap tot elektrische auto’s, sneller zal worden opgeladen, meer stroom zal bevatten, minder zal kosten en misschien zelfs de beschaving zal helpen eindelijk afstand te nemen van fossiele brandstoffen, die de planeet vernietigen. En deze wonderbaarlijke batterijen zouden ergens volgend jaar kunnen beginnen uit te rollen, zeggen ze.

“Grafeen is een verbazingwekkend materiaal, en het is vooral verbazingwekkend als een materiaal voor batterijen,” vertelde Chip Breitenkamp, een polymeerwetenschapper en VP van bedrijfsontwikkeling bij het grafeenbatterijbedrijf NanoGraf, aan Futurism. De technologie, zei hij, kan “batterijen sneller laten opladen en warmte effectiever laten afvoeren. Dit heeft grote gevolgen. Het betekent dat elektrisch gereedschap niet zo snel oververhit raakt. Het betekent dat huishoudelijke apparaten gezinnen beter en langer van dienst kunnen zijn. En het betekent uiteindelijk dat ze sneller kunnen opladen.”

“In wezen kan grafeen een centrale rol spelen bij het aandrijven van een duurzame, elektrische toekomst,” voegde Breitenkamp eraan toe.

Het snelle opladen is niet het enige verkoopargument. In het laboratorium zegt NanoGraf dat zijn grafeenbatterijen een 50 procent langere looptijd hebben dan conventionele lithium-ionbatterijen, een 25 procent lagere koolstofvoetafdruk en de helft van het gewicht dat nodig is om hetzelfde vermogen te leveren.

Het basisidee komt neer op chemie. In de loop van tientallen jaren zijn batterijfabrikanten lithium gaan verkiezen boven silicium, omdat het een hoge elektrische capaciteit heeft. Maar lithium heeft twee belangrijke problemen. Het geleidt elektriciteit slecht en heeft de neiging fysiek te vervormen als het ontlaadt, waarbij het uiteindelijk afschuift en barst. Door het lithium te mengen met of te coaten met grafeen – of, recentelijk, verwante nanomaterialen zoals grafeenoxiden en gereduceerde grafeenoxiden – worden beide problemen opgelost. Grafeen is sterk geleidend, waardoor elektriciteit kan stromen, en stijf, dus het helpt het lithium zijn vorm te behouden, waardoor de batterij langer meegaat.

“Grafeen heeft een zeer hoog elektronisch geleidingsvermogen, dus wanneer je het in je siliciumanode stopt, gaat het geleidingsvermogen echt omhoog,” vertelde Christos Athanasiou, een ingenieur aan de Brown University die onderzoek naar grafeenbatterijen heeft gepubliceerd, aan Futurism. “En grafeen heeft echt goede mechanische eigenschappen – het is echt, echt sterk. Dus wanneer je de anode laat uitzetten, belemmert het grafeen in wezen deze volumeverschillen, zodat het de siliciumanode niet toestaat om zo veel uit te zetten, zodat het niet zal breken.”

Een ander voordeel: omdat de stevigheid van grafeen batterijen zoveel meer levenscycli geeft dan een conventionele batterij, zeggen voorstanders, kunnen ze ze harder “duwen” en ze sneller opladen met een krachtigere elektrische stroom. Ze zullen sneller degraderen, maar hun overvloed aan ontlaadcycli geeft ze nog steeds een langere levensduur dan conventionele batterijen.

Nanograf is niet de enige startup die zegt dat het zich richt op een praktische grafeenbatterij. Samuel Gong, de CEO van concurrent Real Graphene, vertelde Futurism dat hij gelooft dat de technologie van zijn bedrijf een auto in veel minder dan een uur zou kunnen opladen.

“We hebben ook een groter budget van levenscycli die we kunnen opofferen, omdat mensen hun producten meestal niet langer dan een paar jaar houden, hoogstwaarschijnlijk,” zei Gong. “Een grafeenbatterij kan in zekere zin veel meer tegen een stootje, wat die extra levenscyclus mogelijk maakt. We kunnen het veel harder duwen.”

Het resultaat, zegt hij, is een goedkope batterij met enorm toegenomen energiedichtheid en prestaties.

“Ik denk dat het net zo belangrijk is voor de evolutie van technologie in vergelijking met iets als plastic,” zei Gong, “waar het in de toekomst op bijna alles zou kunnen worden toegepast.”

De beloften zijn enorm, maar tegelijkertijd kunnen specifieke claims vaag beginnen te lijken. Nanograf zegt dat het al samenwerkt met een elektrisch gereedschap bedrijf en een bedrijf dat batterijen voor elektrische voertuigen maakt om haar technologie op de markt te brengen, maar zei dat het geen specifieke partners kon noemen.

En Gong vertelde ons dat Real Graphene al proefbussen aandrijft met grafeenbatterijen in Shanghai, China – maar toen we vroegen naar details over het programma, zoals wie de bussen bestuurt en of de batterijen hun imposante technische beloften waarmaken, weigerde hij commentaar te geven.

In een groter verband werd grafeen voor het eerst geïsoleerd in 2004. Waarom nu zo’n grote impuls om het overal in te verwerken?

“De laatste 15 tot 20 jaar heeft in principe de hele energieopslaggemeenschap veel werk verricht aan het maken van een goed nanocomposietmateriaal, hoe we deze siliciumgrafeenanode de gewenste eigenschappen kunnen geven,” zei Athanasiou. “Dus, recentelijk in de laatste jaren, werd het gemakkelijker om grafeen te maken, en er zijn andere nanomaterialen gebaseerd op grafeen, zoals grafeenoxide.”

“Deze nanomaterialen bieden nog betere eigenschappen,” voegde hij eraan toe. “Het grafeenoxide mengt bijvoorbeeld beter met silicium. En toen bleek dat wanneer je gereduceerd grafeenoxide gebruikt, het nog betere eigenschappen biedt.”

Met andere woorden, grafeen verkeert al jaren in een eeuwigdurende staat van “bijna klaar om de wereld te revolutioneren”. Maar nu de productiekosten dalen, vertelden meerdere startups Futurism dat hun batterijen volgend jaar al te koop zullen zijn in kleine apparaten zoals elektrisch gereedschap. Daarna zijn ze van plan om nog ambitieuzer te worden.

“De batterijen die in EV’s gaan, vereisen extreem lange testcycli,” vertelde Breitenkamp van NanoGraf aan Futurism. “Dus, je kunt je voorstellen, die batterijen moeten minimaal drie tot vier jaar getest worden. Het gaat er niet om onze technologie nu al in een EV te laten werken. We geloven volledig dat het zou doen, maar het is een kwestie van alle validatie die nodig is om in een EV te komen.”

“Het is niet een kwestie van of het werkt, het is een kwestie van hoe lang het duurt voordat het de duimen omhoog krijgt op zaken als veiligheid en levensduur,” voegde Breitenkamp eraan toe.

Het is mogelijk dat grafeenbatterijen interesse wekken buiten de startup-gemeenschap. In feite speculeerden verschillende experts die voor dit verhaal werden geïnterviewd, dat Tesla misschien in het geheim met dezelfde technologie experimenteert – hoewel ze allemaal benadrukten dat de theorie slechts gissingen waren.

“Ik twijfel er niet aan dat Tesla aan dit soort technologie werkt,” zei Gong, eraan toevoegend dat het bouwen van krachtig genoeg opladers een grotere uitdaging zou kunnen zijn dan het maken van grafeenbatterijen zelf.

“Waarschijnlijk doen ze dat, maar al deze dingen zijn supervertrouwelijk,” zei Athanasiou. “Niemand buiten het bedrijf zou het echt weten.”

Tesla, dat onlangs zijn hele public relations-afdeling heeft ontbonden, heeft de vragen of het verzoek om commentaar van Futurism niet bevestigd. Maar ongeacht of Tesla werkt aan grafeenbatterijen, zijn er tal van technische uitdagingen die moeten worden opgelost voordat ze nuttig zouden zijn als een consumentenproduct.

Een praktisch probleem, zei Gong, zou zijn dat als een grote automaker erin zou slagen marktklare grafeenbatterijen te ontwikkelen, de enorme aantrekkingskracht van het opladen het risico zou lopen de elektrische infrastructuur volledig te overweldigen.

“Het elektriciteitsnet kan zelfs nauwelijks aan wat we op dit moment hebben, althans als we het hebben over de Bay Area. Het is gewoon iets wat ik niet echt zie gebeuren, omdat het gewoon zo veel energie is,” zei Gong. “Het is niet alleen het bouwen van een kerncentrale en zeggen dat we de macht hebben. Het gaat ook om de stroomlevering: of de bedrading van de stad die stroomstoot wel aankan.”

Er zijn ook, dat geeft iedereen toe, nog technische problemen die moeten worden opgelost. Een daarvan, zei Breitenkamp, is dat het te hard duwen van batterijen problemen kan veroorzaken zoals dendritische kruip – in wezen een interne kortsluiting. Maar meerdere experts vertelden Futurism dat dendritische kruip kan worden opgelost met, je raadt het al, meer grafeen.

Zelfs als het aanbrengen van meer grafeen dendritische kruip blokkeert, zijn er nog steeds productieproblemen. Verschillende bedrijven gebruiken verschillende trucs om batterijen daadwerkelijk te coaten of te implementeren in grafeen, maar consistentie is een uitdaging, ongeacht de methodologie.

Lang verhaal kort, zei Athanasiou, wetenschappers kunnen echt goede prototypes maken in het lab – maar het verplaatsen naar de massaproductie van afgewerkte producten is een geheel andere uitdaging.

“Wat ik je kan vertellen is dat de wetenschap er is,” zei Athanasiou. “Maar technologisch gezien is het nog niet klaar. We weten hoe we deze nanocomposiet siliciumgrafen kunnen maken, maar hoe we ze reproduceerbaar kunnen maken – dat is een grote uitdaging.”

En natuurlijk is er de hype die grafeen vooruit stuwt en de belangstelling ervoor in stand houdt sinds de ontdekking ervan. Het is veranderd in jassen, aangeprezen als een bron van oneindige elektriciteit, en zelfs als een manier om onmiddellijk water te ontzilten.

Deel daarvan is de noodzaak van wetenschappers om belangstelling voor hun werk op te wekken, zei Greg Less, de technisch directeur van het University of Michigan Energy Institute’s Battery User Laboratory. Maar hij zei ook dat hij niet zeker weet hoe nuttig grafeenbatterijen uiteindelijk zullen zijn. Grafeen is niet Less’s specifieke expertise, maakte hij duidelijk, maar hij is verdacht dat het zou kunnen verdwijnen als een andere rage.

Hij noemde koolstof nanobuisjes – het “wondermateriaal” van weleer – als voorbeeld. Koolstofnanobuisjes zijn in feite gewoon stukjes grafeen die tot buisjes zijn opgerold, en er werden veel gewaagde beweringen gedaan over hoe het ook een revolutie in de samenleving teweeg zou brengen.

“Een soort gee-whiz-materiaal op dit moment,” zei Less. “Zullen er verbeteringen komen? Ja. Zullen die verbeteringen genoeg zijn om een goedkopere, beter verkrijgbare optie te verdringen? Waarschijnlijk niet. Misschien. Ik weet het niet. Ik weet het niet.”

In een notendop, de hype rond grafeen vertroebelt zijn toekomst. Het is moeilijk om het echte nut van het nanomateriaal te scheiden van goedbedoelde pogingen die uiteindelijk tekort zullen schieten. Maar we moeten op de een of andere manier ons milieu op orde brengen, en als we de meest verwoestende gevolgen van de klimaatverandering willen afwenden, hebben we misschien een of twee reddingsacties nodig die op de lange termijn kunnen worden uitgevoerd. Als zelfs maar een fractie van wat grafeen voorstanders zeggen mogelijk is uiteindelijk gebeurt, zal het inderdaad een waardevol wapen in de strijd tegen fossiele brandstoffen.

“We zijn gewoon enthousiast om elektrificatie te zien een realiteit worden,” Breitenkamp zei van grafeen potentieel om elektrische auto’s revolutie. “De laatste tien jaar leek het een beetje in de aether. In staat zijn om een auto te maken die betaalbaar genoeg is om in ieders garage te zetten, zal een heleboel dingen veranderen. Het gaat het verhaal over klimaatverandering en zelfs banen veranderen.”

Meer over schone energie: Suiker, licht en een nieuw soort chemie – wat nodig kan zijn om ons van fossiele brandstoffen af te helpen