Dacă bateriile cu grafen fac tot ceea ce spun oamenii de știință, acestea ar putea schimba multe

Imaginați-vă că vă deplasați pe autostradă în noua dumneavoastră mașină electrică, echipată cu cea mai nouă baterie cu grafen. Observi că rămâi fără energie, așa că tragi pe dreapta la un popas, o conectezi la priză și te duci înăuntru să mănânci o pizza.

Până când termini și te întorci afară, mașina ta este deja aproape încărcată – și gata pentru încă 300 de mile neîntrerupte.

Acesta este viitorul transportului pe care anumiți oameni de știință cu ochii în stele promit că va veni în curând. Aceștia spun că, prin supraalimentarea bateriilor cu grafen – o foaie de carbon cu grosimea de doar un atom – totul, de la uneltele electrice la mașinile electrice, se va încărca mai repede, va reține mai multă energie, va costa mai puțin și poate chiar va ajuta civilizația să se îndepărteze în sfârșit de combustibilii fosili care distrug planeta. Iar aceste baterii minunate ar putea începe să fie lansate, spun ei, undeva anul viitor.

„Grafenul este un material uimitor și este deosebit de uimitor ca material pentru baterii”, a declarat pentru Futurism Chip Breitenkamp, cercetător în domeniul polimerilor și vicepreședinte al dezvoltării afacerilor la compania de baterii cu grafen NanoGraf. Tehnologia, a spus el, poate „face ca bateriile să se încarce mai repede și să disipeze căldura mai eficient. Acest lucru are implicații mari. Înseamnă că uneltele electrice nu se supraîncălzesc la fel de repede. Înseamnă că electrocasnicele servesc familiile mai bine și mai mult timp. Și, în cele din urmă, înseamnă că se pot încărca mai repede.”

„În esență, grafenul poate juca un rol central în alimentarea unui viitor sustenabil, electric”, a adăugat Breitenkamp.

Încărcarea rapidă nu este singurul punct de vânzare. În laborator, NanoGraf spune că bateriile sale cu grafen arată o creștere cu 50% a duratei de funcționare în comparație cu cele convenționale litiu-ion, o scădere cu 25% a amprentei de carbon și jumătate din greutatea necesară pentru a oferi aceeași putere.

Ideea de bază se reduce la chimie. De-a lungul deceniilor, producătorii de baterii au ajuns să îmbrățișeze litiul în detrimentul siliciului, deoarece acesta are o capacitate electrică ridicată. Dar litiul are două probleme cheie. Conduce prost electricitatea și tinde să se deformeze fizic pe măsură ce se descarcă, ajungând în cele din urmă să cedeze și să se fisureze. Amestecarea sau acoperirea litiului cu grafenă – sau, cel mai recent, cu nanomateriale înrudite, cum ar fi oxizii de grafenă și oxizii de grafenă redusă – rezolvă ambele probleme. Grafenul este foarte conductiv, permițând electricității să circule, și rigid, astfel încât ajută litiul să-și păstreze forma, permițând bateriei să dureze mai mult timp.

„Grafenul are o conductivitate electronică foarte mare, astfel încât atunci când îl puneți în anodul de siliciu, conductivitatea crește cu adevărat”, a declarat pentru Futurism Christos Athanasiou, un inginer de la Universitatea Brown care a publicat cercetări privind bateriile cu grafen, a declarat pentru Futurism. „Iar grafenul are proprietăți mecanice foarte bune – este foarte, foarte puternic. Așa că atunci când aveți anodul care se extinde, grafenul împiedică în esență aceste variații de volum, astfel încât nu permite anodului de siliciu să se extindă atât de mult, astfel încât să nu se rupă.”

Un alt beneficiu: Deoarece robustețea grafenului acordă bateriilor cu atât mai multe cicluri de viață decât o baterie convențională, spun susținătorii, aceștia le pot „împinge” mai tare și le pot încărca mai repede cu un curent electric mai puternic. Acestea se vor degrada mai rapid, dar abundența lor de cicluri de descărcare le acordă totuși o durată de viață mai lungă decât bateriile convenționale.

Nanograf nu este singurul start-up care spune că se îndreaptă spre o baterie practică cu grafen. Samuel Gong, directorul executiv al concurentului Real Graphene, a declarat pentru Futurism că el crede că tehnologia companiei sale ar putea încărca o mașină în mai puțin de o oră.

„Avem, de asemenea, un buget mai mare de cicluri de viață pe care le putem sacrifica, deoarece oamenii nu-și păstrează de obicei produsele mai mult de câțiva ani, cel mai probabil”, a spus Gong. „O baterie cu grafene poate suporta mult mai multă pedeapsă într-un anumit sens, ceea ce permite acel ciclu de viață suplimentar. Putem să o forțăm mult mai tare.”

Rezultatul, spune el, este o baterie ieftină cu o densitate energetică și o performanță mult mai mari.

„Cred că la fel de importantă pentru evoluția tehnologiei în comparație cu ceva precum plasticul”, a spus Gong, „unde în viitor ar putea fi aplicată la aproape orice.”

Promisiunile sunt enorme, dar, în același timp, afirmațiile specifice pot începe să pară neclare. Nanograf spune că lucrează deja cu o companie de scule electrice și cu o companie care produce baterii pentru vehicule electrice pentru a aduce tehnologia sa pe piață, dar a spus că nu poate numi parteneri specifici.

Și Gong ne-a spus că Real Graphene pilotează deja autobuze alimentate cu baterii Graphene în Shanghai, China – dar când am cerut detalii despre program, cum ar fi cine conduce autobuzele și dacă bateriile se ridică la înălțimea promisiunilor lor tehnice impunătoare, a refuzat să comenteze.

În sens mai larg, grafenul a fost izolat pentru prima dată în 2004. De ce acest mare imbold de a-l introduce în orice acum?

„În ultimii 15-20 de ani, practic întreaga comunitate de stocare a energiei a lucrat mult la cum să facă un material nanocompozit bun, cum să facă acest anod de siliciu grafenic să aibă proprietățile dorite”, a spus Athanasiou. „Așadar, recent, în ultimii ani, a devenit mai ușor să faci grafenă și există și alte nanomateriale bazate pe grafenă, cum ar fi oxidul de grafenă.”

„Aceste nanomateriale oferă proprietăți și mai bune”, a adăugat el. „Oxidul de grafenă se amestecă mai bine cu siliciul, de exemplu. Și apoi s-a dovedit că atunci când folosiți oxid de grafenă redus, acesta oferă proprietăți și mai bune.”

Cu alte cuvinte, grafenul se află de ani de zile într-o stare perpetuă de „aproape gata să revoluționeze lumea”. Dar, cu costuri de fabricație care tind să scadă, mai multe startup-uri au declarat pentru Futurism că bateriile lor vor fi de vânzare în dispozitive mici, cum ar fi uneltele electrice, încă de anul viitor. După aceea, acestea plănuiesc să devină și mai ambițioase.

„Bateriile care intră în vehiculele electrice necesită cicluri de testare extrem de lungi”, a declarat Breitenkamp de la NanoGraf pentru Futurism. „Așa că, vă puteți imagina, aceste baterii trebuie să fie testate timp de cel puțin trei-patru ani. Nu este vorba de a face ca tehnologia noastră să funcționeze într-un EV chiar acum. Credem pe deplin că ar face-o, dar este vorba de toate validările necesare pentru a ajunge într-un VE.”

„Nu este o chestiune de a ști dacă funcționează sau nu, ci de cât timp va dura până când va fi aprobată în ceea ce privește lucruri precum siguranța și longevitatea”, a adăugat Breitenkamp.

Este posibil ca bateriile cu grafen să atragă interesul dincolo de comunitatea startup-urilor. De fapt, mai mulți experți intervievați pentru acest articol au speculat că Tesla ar putea experimenta în secret cu aceeași tehnologie – deși toți au subliniat că teoria este doar o conjectură.

„Nu am nicio îndoială că Tesla lucrează la acest tip de tehnologie”, a spus Gong, adăugând că construirea unor încărcătoare suficient de puternice ar putea fi o provocare mai mare decât fabricarea în sine a bateriilor cu grafen.

„Probabil că o vor face, dar toate aceste lucruri sunt super confidențiale”, a spus Athanasiou. „Nimeni din afara companiei nu ar ști cu adevărat.”

Tesla, care și-a desființat recent întregul departament de relații publice, nu a răspuns la întrebările sau la cererea de comentarii a Futurism. Dar, indiferent dacă Tesla lucrează sau nu la bateriile cu grafen, există numeroase provocări tehnice care trebuie rezolvate înainte ca acestea să fie utile ca produs de consum.

O problemă practică, a spus Gong, ar fi că, dacă un mare producător auto ar reuși să dezvolte baterii cu grafen gata de comercializare, atracția enormă a încărcării ar risca să copleșească complet infrastructura electrică.

„Rețeaua electrică abia dacă poate face față la ceea ce avem acum, cel puțin atunci când vorbim despre Bay Area. Este ceva ce nu pot vedea cu adevărat să se întâmple doar pentru că este atât de multă energie”, a spus Gong. „Nu este vorba doar de a construi o centrală nucleară și de a spune că avem energie. Este vorba, de asemenea, de livrarea energiei: dacă instalațiile electrice ale orașului pot chiar să facă față acelui val de energie.”

De asemenea, toată lumea recunoaște că există încă probleme tehnice care trebuie rezolvate. Una dintre ele, a spus Breitenkamp, este că împingerea prea tare a bateriilor poate cauza probleme cum ar fi fluajul dendritic – în esență, un scurtcircuit intern. Dar mai mulți experți au declarat pentru Futurism că fluajul dendritic poate fi rezolvat cu, ați ghicit, mai mult grafene.

Chiar dacă introducerea mai mult grafene blochează fluajul dendritic, totuși, există probleme de fabricație care persistă. Diferite companii folosesc diferite trucuri pentru a acoperi sau implementa efectiv bateriile în grafene, dar consistența este o provocare, indiferent de metodologie.

Pentru a scurta povestea, a spus Athanasiou, oamenii de știință pot face prototipuri foarte bune în laborator – dar trecerea la producția de masă a produselor finite este o provocare cu totul aparte.

„Ceea ce vă pot spune este că știința este acolo”, a spus Athanasiou. „Cu toate acestea, din punct de vedere tehnologic, nu este încă pregătită. Știm cum să facem aceste grafene nanocompozite de siliciu, dar cum le putem face reproductibile – aceasta este o mare provocare.”

Și, bineînțeles, mai este și hype-ul care a împins grafenul înainte și a susținut interesul pentru el de la descoperirea sa. A fost transformat în jachete, a fost prezentat ca o sursă de electricitate infinită și chiar ca o modalitate de desalinizare instantanee a apei.

O parte din aceasta este necesitatea oamenilor de știință care trebuie să stârnească interesul pentru munca lor, a declarat Greg Less, directorul tehnic al Laboratorului de utilizare a bateriilor din cadrul Institutului de Energie al Universității din Michigan. Dar el a spus, de asemenea, că nu este sigur cât de utile vor ajunge să fie bateriile cu grafenă. Grafenul nu este expertiza specifică a lui Less, a precizat el, dar este suspicios că ar putea dispărea ca o altă modă trecătoare.

El a citat nanotuburile de carbon – „materialul miraculos” de odinioară – ca exemplu. Nanotuburile de carbon sunt practic doar bucăți de grafenă rulate în tuburi și s-au făcut multe afirmații îndrăznețe despre cum va revoluționa și societatea.

” un fel de material gee-whiz în acest moment”, a spus Less. „Vor exista îmbunătățiri? Da. Vor fi acele îmbunătățiri suficiente pentru a disloca o opțiune mai ieftină și mai disponibilă? Probabil că nu. Poate că nu. Nu știu. Nu știu.”

În concluzie, agitația din jurul grafenei îi întunecă viitorul. Este dificil să separăm utilitatea reală a nanomaterialului de eforturile bine intenționate care, în cele din urmă, nu vor fi suficiente. Dar trebuie să ne curățăm cumva actul de mediu, iar dacă vrem să evităm cele mai devastatoare efecte ale schimbărilor climatice, atunci s-ar putea să ajungem să avem nevoie de unul sau două „Hail Mary” cu bătaie lungă. Dacă chiar și o fracțiune din ceea ce susținătorii grafenului spun că este posibil se va întâmpla în cele din urmă, va fi într-adevăr o armă valoroasă în lupta împotriva combustibililor fosili.

„Suntem entuziasmați să vedem electrificarea devenind o realitate”, a spus Breitenkamp despre potențialul grafenului de a revoluționa mașinile electrice. „În ultimii zece ani, părea un fel de a fi în eter. Faptul de a putea face o mașină suficient de accesibilă pentru a fi pusă în garajul fiecăruia va schimba multe lucruri. Va schimba povestea privind schimbările climatice și chiar și locurile de muncă.”

Mai multe despre energia curată: Zahăr, lumină și un nou tip de chimie – de ce ar putea fi nevoie pentru a ne lăsa de combustibilii fosili

.