If Graphene Batteries Do Everything Scientists Say, They Could Be a Gamechanger

Imagine you’re cruising down the freeway in your new electric car, equipped with the latest graphene battery. Zauważyłeś, że kończą Ci się zapasy soku, więc zatrzymałeś się na przystanku, podłączyłeś go i wszedłeś do środka, aby zjeść pizzę.

Do czasu, gdy skończysz i wrócisz na zewnątrz, Twój samochód jest już prawie naładowany – i gotowy na kolejne 300 mil nieprzerwanej jazdy.

To jest przyszłość transportu, którą pewni naukowcy obiecują już wkrótce. Twierdzą oni, że dzięki wzmocnieniu baterii grafenem – arkuszem węgla o grubości jednego atomu – wszystko, od elektronarzędzi po samochody elektryczne, będzie ładowało się szybciej, będzie miało więcej mocy, będzie kosztowało mniej, a może nawet pomoże cywilizacji w końcu odejść od niszczących planetę paliw kopalnych. Mówi się, że te cudowne baterie mogłyby zacząć działać już w przyszłym roku.

„Grafen to niesamowity materiał, a szczególnie niesamowity jest jako materiał na baterie” – powiedział serwisowi Futurism Chip Breitenkamp, naukowiec specjalizujący się w polimerach i wiceprezes ds. rozwoju działalności w firmie NanoGraf zajmującej się produkcją baterii grafenowych. Jego zdaniem technologia ta może „sprawić, że akumulatory będą ładować się szybciej i skuteczniej odprowadzać ciepło. Ma to ogromne znaczenie. Oznacza to, że elektronarzędzia nie przegrzewają się tak szybko. Oznacza to, że urządzenia domowe służą rodzinom lepiej, dłużej. I w końcu oznacza to, że mogą ładować się szybciej.”

„Zasadniczo grafen może odegrać główną rolę w zasilaniu zrównoważonej, elektrycznej przyszłości”, dodał Breitenkamp.

Szybkie ładowanie nie jest jedynym punktem sprzedaży. W laboratorium NanoGraf twierdzi, że jego grafenowe baterie wykazują 50-procentowy wzrost czasu pracy w porównaniu z konwencjonalnymi bateriami litowo-jonowymi, 25-procentowy spadek emisji dwutlenku węgla i połowę wagi potrzebnej do zapewnienia tej samej mocy.

Podstawowy pomysł sprowadza się do chemii. W ciągu dziesięcioleci producenci baterii zaczęli doceniać lit nad krzemem, ponieważ ma on wysoką pojemność elektryczną. Ale lit ma dwa kluczowe problemy. Słabo przewodzi prąd i ma tendencję do fizycznego odkształcania się podczas rozładowywania, ostatecznie ścinając się i pękając. Mieszanie lub powlekanie litu grafenem – lub, ostatnio, pokrewnymi nanomateriałami, takimi jak tlenki grafenu i zredukowane tlenki grafenu – rozwiązuje oba problemy. Grafen jest wysoce przewodzący, co pozwala na przepływ prądu, i sztywny, więc pomaga litowi zachować swój kształt, dzięki czemu bateria może działać dłużej.

„Grafen ma bardzo wysoką przewodność elektroniczną, więc po umieszczeniu go w anodzie krzemowej przewodność naprawdę wzrasta” – powiedział serwisowi Futurism Christos Athanasiou, inżynier z Uniwersytetu Browna, który opublikował badania nad bateriami grafenowymi. „A grafen ma naprawdę dobre właściwości mechaniczne – jest bardzo, bardzo wytrzymały. Kiedy więc anoda się rozszerza, grafen zasadniczo hamuje zmiany objętości, nie pozwalając anodzie krzemowej rozszerzyć się tak bardzo, aby się nie złamała.”

Kolejna korzyść: Ponieważ wytrzymałość grafenu zapewnia bateriom o wiele więcej cykli życia niż w przypadku baterii konwencjonalnych, zwolennicy twierdzą, że mogą je „przepchnąć” mocniej i naładować szybciej mocniejszym prądem. Będą one ulegać szybszej degradacji, ale ich obfitość cykli rozładowania nadal zapewnia im dłuższą żywotność niż konwencjonalnym bateriom.

Nanograf nie jest jedynym startupem, który twierdzi, że jest ukierunkowany na praktyczną baterię grafenową. Samuel Gong, dyrektor generalny konkurencyjnej firmy Real Graphene, powiedział serwisowi Futurism, że wierzy, iż technologia jego firmy mogłaby naładować samochód w mniej niż godzinę.

„Mamy również większy budżet cykli życia, które możemy poświęcić, ponieważ ludzie zazwyczaj nie przechowują swoich produktów dłużej niż kilka lat” – powiedział Gong. „Bateria grafenowa może przyjąć o wiele więcej kary w pewnym sensie, co umożliwia ten dodatkowy cykl życia. Możemy naciskać na nią o wiele mocniej.”

Wynikiem tego, jak twierdzi, jest tania bateria o znacznie zwiększonej gęstości energii i wydajności.

„Wierzę, że jest to równie ważne dla ewolucji technologii w porównaniu z czymś takim jak plastik”, powiedział Gong, „gdzie w przyszłości może być stosowany do prawie wszystkiego.”

Obietnice są ogromne, ale w tym samym czasie, konkretne roszczenia mogą zacząć wyglądać niewyraźnie. Nanograf mówi, że już pracuje z firmą produkującą elektronarzędzia i firmą, która produkuje baterie do pojazdów elektrycznych, aby wprowadzić swoją technologię na rynek, ale powiedział, że nie może wymienić konkretnych partnerów.

A Gong powiedział nam, że Real Graphene już pilotuje autobusy zasilane bateriami grafenowymi w Szanghaju, w Chinach – ale kiedy zapytaliśmy o szczegóły programu, takie jak kto prowadzi autobusy i czy baterie spełniają swoje imponujące obietnice techniczne, odmówił komentarza.

W szerszym znaczeniu, grafen został po raz pierwszy wyizolowany w 2004 roku. Dlaczego teraz jest tak duży nacisk, aby umieścić go we wszystkim?

„Przez ostatnie 15-20 lat, w zasadzie cała społeczność zajmująca się magazynowaniem energii wykonywała wiele pracy nad tym, jak stworzyć dobry materiał nanokompozytowy, jak sprawić, aby ta krzemowa anoda grafenowa miała pożądane właściwości” – powiedział Athanasiou. „Tak więc, ostatnio w ostatnich latach, stało się łatwiejsze do wykonania grafenu, i są inne nanomateriały oparte na grafenie, jak tlenek grafenu.”

„Te nanomateriały oferują jeszcze lepsze właściwości,” dodał. „Tlenek grafenu lepiej łączy się na przykład z krzemem. A potem okazało się, że kiedy używasz zredukowanego tlenku grafenu, oferuje on jeszcze lepsze właściwości.”

Innymi słowy, grafen od lat znajduje się w stanie „prawie gotowości do zrewolucjonizowania świata”. Ponieważ jednak koszty produkcji wykazują tendencję spadkową, wiele startupów poinformowało serwis Futurism, że ich baterie trafią do sprzedaży w małych urządzeniach, takich jak elektronarzędzia, już w przyszłym roku. Następnie planują one jeszcze bardziej ambitne działania.

„Akumulatory stosowane w pojazdach elektrycznych wymagają niezwykle długich cykli testowych” – powiedział serwisowi Futurism Breitenkamp z firmy NanoGraf. „Można więc sobie wyobrazić, że te akumulatory muszą być testowane przez co najmniej trzy do czterech lat. Nie chodzi o to, aby nasza technologia zadziałała już teraz w samochodzie elektrycznym. W pełni wierzymy, że tak, ale to kwestia wszystkich walidacji koniecznych do wprowadzenia do EV.”

„To nie jest kwestia tego, czy to działa, to kwestia tego, jak długo to potrwa, zanim dostaniemy kciuki za takie rzeczy jak bezpieczeństwo i długowieczność” – dodał Breitenkamp.

Możliwe, że baterie grafenowe wzbudzają zainteresowanie poza społecznością startupów. W rzeczywistości kilku ekspertów, z którymi przeprowadzono wywiady dla tej historii, spekulowało, że Tesla może potajemnie eksperymentować z tą samą technologią – choć wszyscy podkreślali, że teoria ta jest tylko przypuszczeniem.

„Nie mam wątpliwości, że Tesla pracuje nad tego rodzaju technologią”, powiedział Gong, dodając, że zbudowanie wystarczająco mocnych ładowarek może być większym wyzwaniem niż stworzenie samych baterii grafenowych.

„Prawdopodobnie tak, ale wszystkie te rzeczy są super poufne”, powiedział Athanasiou. „Nikt spoza firmy nie będzie tego wiedział.”

Tesla, która niedawno rozwiązała cały swój dział public relations, nie odpowiedziała na pytania serwisu Futurism ani nie poprosiła o komentarz. Niezależnie jednak od tego, czy Tesla pracuje nad bateriami grafenowymi, istnieje wiele problemów technicznych, które należy rozwiązać, zanim staną się one użyteczne jako produkt konsumencki.

Jedną z kwestii praktycznych, jak twierdzi Gong, byłoby to, że gdyby dużemu producentowi samochodów udało się opracować gotowe do wprowadzenia na rynek baterie grafenowe, ogromny pobór prądu podczas ładowania wiązałby się z ryzykiem całkowitego przytłoczenia infrastruktury elektrycznej.

„Sieć energetyczna ledwo radzi sobie z tym, co mamy obecnie, przynajmniej jeśli mówimy o Bay Area. To jest po prostu coś, czego nie mogę naprawdę zobaczyć się dzieje tylko dlatego, że jest to po prostu tak dużo mocy,” Gong powiedział. „Nie chodzi tylko o wybudowanie elektrowni jądrowej i powiedzenie, że mamy moc. To także dostarczanie energii: czy okablowanie miasta może nawet obsłużyć ten skok mocy.”

Są także, wszyscy przyznają, wciąż problemy techniczne, które muszą zostać rozwiązane. Jeden z nich, jak powiedział Breitenkamp, polega na tym, że zbyt mocne naciskanie na baterie może powodować problemy takie jak pełzanie dendrytów – czyli zasadniczo wewnętrzne zwarcie. Wielu ekspertów powiedziało jednak portalowi Futurism, że pełzanie dendrytyczne można rozwiązać za pomocą, jak się domyślacie, większej ilości grafenu.

Nawet jeśli wrzucenie większej ilości grafenu zablokuje pełzanie dendrytyczne, pozostają jeszcze kwestie produkcyjne. Różne firmy stosują różne sztuczki, aby faktycznie pokryć lub zaimplementować baterie grafenem, ale spójność jest wyzwaniem niezależnie od metodologii.

Długo by opowiadać, Athanasiou powiedziała, że naukowcy mogą stworzyć naprawdę dobre prototypy w laboratorium – ale przejście do masowej produkcji gotowych produktów jest całkowicie odrębnym wyzwaniem.

„To, co mogę powiedzieć, to fakt, że nauka już istnieje”, powiedziała Athanasiou. „Jednak pod względem technologicznym nie jest jeszcze gotowa. Wiemy, jak stworzyć te nanokompozytowe grafeny krzemowe, ale jak sprawić, by były powtarzalne – to wielkie wyzwanie.”

Oraz, oczywiście, jest też szum, który popycha grafen do przodu i podtrzymuje zainteresowanie nim od czasu jego odkrycia. Został on zamieniony w kurtki, opisany jako źródło nieskończonej energii elektrycznej, a nawet jako sposób na błyskawiczne odsalanie wody.

Część z tego to konieczność naukowców, którzy muszą wzbudzić zainteresowanie swoją pracą, powiedział Greg Less, dyrektor techniczny Laboratorium Użytkowników Akumulatorów Instytutu Energii Uniwersytetu Michigan. Ale powiedział on również, że nie jest pewien, jak użyteczne będą baterie grafenowe. Grafen nie jest specjalnością Lessa, ale podejrzewa on, że może on zniknąć jako kolejna moda.

Przywołał on nanorurki węglowe – „cudowny materiał” z przeszłości – jako przykład. Nanorurki węglowe są w zasadzie tylko kawałkami grafenu zwiniętymi w rurki, a wiele śmiałych twierdzeń dotyczyło tego, jak zrewolucjonizują społeczeństwo.

” rodzaj materiału gee-whiz teraz,” powiedział Less. „Czy będą jakieś ulepszenia? Tak. Czy te ulepszenia będą wystarczające, aby wyprzeć tańszą, bardziej dostępną opcję? Prawdopodobnie nie. Może. Nie wiem. Nie wiem.”

W skrócie, szum wokół grafenu przesłania jego przyszłość. Oddzielenie rzeczywistej użyteczności nanomateriału od pełnych dobrych intencji przedsięwzięć, które w ostatecznym rozrachunku okażą się nieskuteczne, jest trudne. Musimy jednak jakoś oczyścić nasze środowisko, a jeśli chcemy zapobiec najbardziej niszczycielskim skutkom zmian klimatycznych, to może się okazać, że będziemy potrzebowali jednego lub dwóch „zdrowasiek”. Jeśli nawet ułamek tego, co zwolennicy grafenu twierdzą, że jest możliwe, okaże się, że rzeczywiście będzie to cenna broń w walce z paliwami kopalnymi.

„Jesteśmy podekscytowani, że elektryfikacja stanie się rzeczywistością”, powiedział Breitenkamp o potencjale grafenu do zrewolucjonizowania samochodów elektrycznych. „Przez ostatnie dziesięć lat wydawało się, że jest to coś w rodzaju eteru. Możliwość stworzenia samochodu, który będzie na tyle przystępny cenowo, że każdy będzie mógł go wstawić do swojego garażu, zmieni wiele rzeczy. Zmieni narrację na temat zmian klimatycznych, a nawet miejsc pracy.”

Więcej na temat czystej energii: Sugar, Light, And A New Type of Chemistry – What It May Take To Wean Us Off Fossil Fuels

.