Om grafenbatterier gör allt som forskarna säger kan de bli en omvälvande lösning

Föreställ dig att du åker på motorvägen i din nya elbil, utrustad med det senaste grafenbatteriet. Du märker att du börjar få ont om juice, så du stannar vid en rastplats, kopplar in den och går in för att ta en pizza.

När du är klar och återvänder ut är bilen redan nästan laddad – och redo för ytterligare 300 mil utan avbrott.

Det här är framtidens transportmedel som vissa stjärnglada vetenskapsmän lovar att de kommer att vara på gång inom kort. De säger att genom att superstärka batterier med grafen – ett kolskikt som bara är en atom tjockt – kommer allt från elverktyg till elbilar att laddas snabbare, hålla mer ström, kosta mindre och kanske till och med hjälpa civilisationen att äntligen gå bort från de planetförstörande fossila bränslena. Och dessa fantastiska batterier skulle kunna börja rullas ut, säger de, någon gång nästa år.

”Grafen är ett fantastiskt material, och det är särskilt fantastiskt som material för batterier”, säger Chip Breitenkamp, polymerforskare och vice vd för affärsutveckling på grafenbatteriföretaget NanoGraf, till Futurism. Tekniken, sade han, kan ”göra att batterier laddas snabbare och avleda värme mer effektivt”. Detta har stora konsekvenser. Det innebär att elverktyg inte överhettas lika snabbt. Det innebär att hushållsapparater tjänar familjerna bättre och längre. Och det betyder så småningom att de kan laddas snabbare.”

”I grund och botten kan grafen spela en central roll för att driva en hållbar, elektrisk framtid”, tillade Breitenkamp.

Snabbladdningen är inte det enda försäljningsargumentet. I laboratoriet säger NanoGraf att deras grafenbatterier visar en 50-procentig ökning av drifttiden jämfört med konventionella litiumjonbatterier, en 25-procentig minskning av koldioxidavtrycket och hälften av den vikt som krävs för att ge samma effekt.

Den grundläggande idén handlar om kemi. Under årtiondenas lopp kom batteritillverkarna att omfamna litium framför kisel eftersom det har en hög elektrisk kapacitet. Men litium har två viktiga problem. Det leder elektricitet dåligt och tenderar att deformeras fysiskt när det laddas ur, vilket i slutändan leder till skjuvning och sprickbildning. Genom att blanda eller belägga litiumet med grafen – eller, på senare tid, relaterade nanomaterial som grafenoxider och reducerade grafenoxider – löser man båda problemen. Grafen är mycket ledande, vilket gör att elektricitet kan flöda, och styvt, så det hjälper litiumet att behålla sin form, vilket gör att batteriet håller längre.

”Grafen har en mycket hög elektronisk ledningsförmåga, så när du lägger det i din kiselanod ökar ledningsförmågan verkligen”, säger Christos Athanasiou, en ingenjör vid Brown University som publicerat forskning om grafenbatterier, till Futurism. ”Och grafen har riktigt bra mekaniska egenskaper – det är riktigt, riktigt starkt. Så när anoden expanderar hindrar grafenet i huvudsak dessa volymvariationer, så att kiselanoden inte kan expandera så mycket så att den inte går sönder.”

En annan fördel: Eftersom grafenets robusthet ger batterierna så många fler livscykler än ett konventionellt batteri, säger förespråkarna, kan de ”trycka på” dem hårdare och ladda dem snabbare med en kraftfullare elektrisk ström. De kommer att försämras snabbare, men det stora antalet urladdningscykler ger dem ändå en längre livslängd än konventionella batterier.

Nanograf är inte det enda nystartade företaget som säger sig ha siktet inställt på ett praktiskt grafenbatteri. Samuel Gong, vd för konkurrenten Real Graphene, berättade för Futurism att han tror att hans företags teknik skulle kunna ladda en bil på långt under en timme.

”Vi har också en större budget för livscykler som vi kan offra eftersom människor vanligtvis inte behåller sina produkter mer än några få år, troligtvis”, sa Gong. ”Ett grafenbatteri kan på sätt och vis ta mycket mer stryk, vilket möjliggör en extra livscykel. Vi kan pressa det mycket hårdare.”

Resultatet, säger han, är ett billigt batteri med kraftigt ökad energitäthet och prestanda.

”Jag tror att det är lika viktigt för teknikens utveckling som för något som plast”, sade Gong, ”där det i framtiden skulle kunna tillämpas på nästan allting.”

Löftena är enorma, men samtidigt kan de specifika påståendena börja verka luddiga. Nanograf säger att man redan arbetar med ett elverktygsföretag och ett företag som tillverkar batterier för elbilar för att få ut sin teknik på marknaden, men sa att man inte kunde nämna specifika partners.

Och Gong berättade för oss att Real Graphene redan håller på att testa bussar som drivs av Graphene-batterier i Shanghai i Kina – men när vi frågade efter detaljer om programmet, till exempel vem som kör bussarna och om batterierna lever upp till de imponerande tekniska löftena, avböjde han att kommentera det.

I ett större perspektiv isolerades grafen först 2004. Varför den stora satsningen på att använda det i allting nu?

”De senaste 15-20 åren har i princip hela energilagringssamhället arbetat mycket med hur man kan göra ett bra nanokompositmaterial, hur man kan få den här kiselgrafenanoden att ha de önskade egenskaperna”, sade Athanasiou. ”På senare år har det blivit lättare att tillverka grafen, och det finns andra nanomaterial baserade på grafen, t.ex. grafenoxid.”

”Dessa nanomaterial har ännu bättre egenskaper”, tillade han. ”Grafenoxiden blandar sig bättre med till exempel kisel. Och sedan visade det sig att när man använder reducerad grafenoxid erbjuder den ännu bättre egenskaper.”

Med andra ord har grafen befunnit sig i ett evigt tillstånd av ”nästan redo att revolutionera världen” i flera år. Men med tillverkningskostnader som tenderar att sjunka har flera nystartade företag berättat för Futurism att deras batterier kommer att finnas till försäljning i små enheter som elverktyg redan nästa år. Efter det planerar de att bli ännu mer ambitiösa.

”De batterier som ska ingå i elbilar kräver extremt långa testcykler”, säger Breitenkamp från NanoGraf till Futurism. ”Så du kan föreställa dig att dessa batterier måste testas i minst tre till fyra år. Det handlar inte om att få vår teknik att fungera i ett elfordon just nu. Vi är helt övertygade om att den skulle göra det, men det handlar om all den validering som krävs för att komma in i ett elfordon.”

”Det handlar inte om huruvida den fungerar, utan om hur lång tid det tar innan den får tummen upp för saker som säkerhet och livslängd”, tillade Breitenkamp.

Det är möjligt att grafenbatterier väcker intresse även utanför startup-samhället. Faktum är att flera experter som intervjuades för den här artikeln spekulerade i att Tesla kanske i hemlighet experimenterar med samma teknik – även om alla betonade att teorin bara var en gissning.

”Jag tvivlar inte på att Tesla arbetar med den här typen av teknik”, sa Gong och tillade att det kan vara en större utmaning att bygga tillräckligt kraftfulla laddare än att tillverka grafenbatterier i sig. ”Troligen kommer de att göra det, men allt det här är superhemligt”, sa Athanasiou. ”Ingen utanför företaget skulle verkligen veta.”

Tesla, som nyligen upplöste hela sin PR-avdelning, svarade inte på Futurisms frågor eller begäran om en kommentar. Men oavsett om Tesla arbetar med grafenbatterier eller inte finns det många tekniska utmaningar som måste lösas innan de skulle vara användbara som konsumentprodukt.

Ett praktiskt problem, sade Gong, skulle vara att om en stor biltillverkare lyckades utveckla marknadsklara grafenbatterier skulle den enorma dragningen av laddning riskera att helt överväldiga den elektriska infrastrukturen.

”Elnätet klarar knappt ens av att hantera vad vi har just nu, åtminstone när vi pratar om Bay Area. Det är bara något som jag inte riktigt kan se hända bara för att det är så mycket ström”, sade Gong. ”Det är inte bara att bygga ett kärnkraftverk och säga att vi har strömmen. Det handlar också om kraftförsörjningen: om stadens ledningar ens kan hantera denna kraftökning.”

Det finns också, erkänner alla, fortfarande tekniska problem som måste lösas. Ett, sade Breitenkamp, är att om batterier pressas för hårt kan det orsaka problem som dendritisk krypning – i princip en intern kortslutning. Men flera experter berättade för Futurism att dendritisk krypning kan lösas med, ni gissade det, mer grafen.

Även om mer grafen blockerar dendritisk krypning finns det dock kvarstående tillverkningsproblem. Olika företag använder olika knep för att faktiskt belägga eller implementera batterier i grafen, men konsistens är en utmaning oavsett metodik.

Lång historia kort sagt, sade Athanasiou, vetenskapsmännen kan göra riktigt bra prototyper i labbet – men att gå över till massproduktion av färdiga produkter är en helt annan utmaning.

”Vad jag kan säga är att vetenskapen finns där”, sade Athanasiou. ”Tekniskt sett är den dock inte färdig ännu. Vi vet hur vi ska göra dessa nanokompositer av kiselgrafen, men hur vi ska göra dem reproducerbara – det är en stor utmaning.”

Och så finns det förstås den hype som har drivit grafen framåt och upprätthållit intresset för det sedan det upptäcktes. Det har förvandlats till jackor, utropats som en källa till oändlig elektricitet och till och med som ett sätt att omedelbart avsalta vatten.

En del av detta är nödvändigheten för forskare som behöver trumma upp intresset för sitt arbete, säger Greg Less, teknisk chef för University of Michigan Energy Institute’s Battery User Laboratory. Men han sade också att han inte är säker på hur användbara grafenbatterier kommer att bli i slutändan. Grafen är inte Less’ specifika expertis, gjorde han klart, men han är misstänksam mot att det kan försvinna som ännu en modefluga.

Han nämnde kolnanorör – ”mirakelmaterialet” från förr i tiden – som ett exempel. Kolnanorör är i princip bara bitar av grafen som rullats ihop till rör, och många djärva påståenden gjordes om hur det skulle revolutionera även samhället.

” typ av ett nördigt material just nu”, sa Less. ”Kommer det att ske förbättringar? Ja. Kommer dessa förbättringar att vara tillräckliga för att tränga undan ett billigare, mer tillgängligt alternativ? Förmodligen inte. Kanske. Jag vet inte. Jag vet inte.”

Som ett nötskal kan man säga att hypen kring grafen skymmer grafenets framtid. Det är svårt att skilja verklig nytta för nanomaterialet från välmenande strävanden som i slutändan kommer att misslyckas. Men vi måste på något sätt städa upp i vårt miljöarbete, och om vi vill avvärja de mest förödande effekterna av klimatförändringarna kan det sluta med att vi behöver en eller två långsökta ”Hail Mary”. Om ens en bråkdel av det som grafenförespråkarna säger är möjligt till slut blir verklighet, kommer det verkligen att vara ett värdefullt vapen i kampen mot fossila bränslen.

”Vi är bara glada över att se elektrifiering bli verklighet”, säger Breitenkamp om grafenets potential att revolutionera elbilar. ”Under de senaste tio åren har det liksom verkat vara i etern. Att kunna tillverka en bil som är tillräckligt prisvärd för att stå i allas garage kommer att förändra mycket. Det kommer att förändra berättelsen om klimatförändringarna och till och med jobben.”

Mer om ren energi: Vad det kan krävas för att avvänja oss från fossila bränslen