Grafen i baterie
Grafen, arkusz atomów węgla połączonych w strukturę plastra miodu, jest powszechnie uznawany za „cudowny materiał” ze względu na niezliczone zadziwiające właściwości, jakie posiada. Jest silnym przewodnikiem energii elektrycznej i cieplnej, niezwykle lekkim, chemicznie obojętnym i elastycznym o dużej powierzchni. Jest również uważany za przyjazny dla środowiska i zrównoważony, z nieograniczonymi możliwościami wielu zastosowań.
Zalety baterii grafenowych
W dziedzinie akumulatorów konwencjonalne materiały na elektrody akumulatorowe (i przyszłe) ulegają znacznej poprawie, gdy zostaną wzbogacone grafenem. Bateria grafenowa może być lekka, trwała i odpowiednia do magazynowania energii o dużej pojemności, a także do skrócenia czasu ładowania. Wydłuży to żywotność baterii, która jest ujemnie związana z ilością węgla, który jest powlekany na materiale lub dodawany do elektrod w celu uzyskania przewodności, a grafen dodaje przewodność bez konieczności stosowania ilości węgla, które są używane w konwencjonalnych bateriach.
Grafen może na różne sposoby poprawić takie cechy baterii, jak gęstość energii i kształt. Akumulatory litowo-jonowe (i inne rodzaje akumulatorów) można ulepszyć, wprowadzając grafen do anody akumulatora i wykorzystując przewodność materiału i cechy dużej powierzchni, aby osiągnąć optymalizację morfologiczną i wydajność.
Odkryto również, że tworzenie materiałów hybrydowych może być również przydatne do ulepszania baterii. Hybryda tlenku wanadu (VO2) i grafen, na przykład, mogą być stosowane na katodach litowo-jonowych i zapewniają szybkie ładowanie i rozładowywanie, a także dużą trwałość cyklu ładowania. W tym przypadku VO2 oferuje wysoką pojemność energetyczną, ale słabą przewodność elektryczną, co można rozwiązać, stosując grafen jako rodzaj strukturalnego „kręgosłupa”, na którym można przyłączyć VO2 – stworzenie materiału hybrydowego, który ma zarówno zwiększoną pojemność, jak i doskonałą przewodność.
Innym przykładem są baterie LFP (Lithium Iron Phosphate), czyli rodzaj akumulatora litowo-jonowego wielokrotnego ładowania. Ma niższą gęstość energii niż inne akumulatory Li-ion, ale wyższą gęstość mocy (wskaźnik szybkości, z jaką energia może być dostarczana przez akumulator). Wzbogacenie katod LFP grafenem pozwoliło tym akumulatorom być lekkimi, ładować znacznie szybciej niż akumulatory litowo-jonowe i mieć większą pojemność niż konwencjonalne akumulatory LFP.
Oprócz zrewolucjonizowania rynku baterii, połączone wykorzystanie baterii grafenowych i grafenu superkondensatory może przynieść niesamowite rezultaty, takie jak wspomniana koncepcja poprawy zasięgu i wydajności samochodu elektrycznego. Chociaż baterie grafenowe nie weszły jeszcze do powszechnej komercjalizacji, na całym świecie pojawiają się doniesienia o przełomach w dziedzinie baterii.
Podstawy baterii
Baterie służą jako mobilne źródło zasilania, dzięki czemu urządzenia zasilane energią elektryczną mogą działać bez bezpośredniego podłączania do gniazdka. Chociaż istnieje wiele rodzajów baterii, podstawowa koncepcja ich działania pozostaje podobna: jedno lub więcej ogniw elektrochemicznych przekształca zmagazynowaną energię chemiczną w energię elektryczną. Bateria jest zwykle wykonana z metalowej lub plastikowej obudowy, zawierającej biegun dodatni (anodę), biegun ujemny (katodę) oraz elektrolity, które umożliwiają przepływ jonów między nimi. Separator (przepuszczalna membrana polimerowa) tworzy barierę między anodą a katodą, aby zapobiec zwarciom elektrycznym, jednocześnie umożliwiając transport nośników ładunku jonowego, które są potrzebne do zamknięcia obwodu podczas przepływu prądu. Wreszcie kolektor służy do przewodzenia ładunku poza akumulatorem przez podłączone urządzenie.
Gdy obwód między dwoma zaciskami jest zakończony, bateria wytwarza energię elektryczną w wyniku szeregu reakcji. Anoda przechodzi reakcję utleniania, w której dwa lub więcej jonów z elektrolitu łączy się z anodą, tworząc związek, uwalniając elektrony. Jednocześnie katoda przechodzi reakcję redukcji, w której substancja katodowa, jony i wolne elektrony łączą się w związki. Mówiąc najprościej, reakcja anodowa wytwarza elektrony, podczas gdy reakcja w katodzie pochłania je iw wyniku tego procesu wytwarzana jest energia elektryczna. Bateria będzie nadal wytwarzać energię elektryczną, dopóki w elektrodach nie zabraknie substancji niezbędnej do powstania reakcji.
Rodzaje i charakterystyka baterii
Baterie dzielą się na dwa główne typy: pierwotne i wtórne. Baterie pierwotne (jednorazowe) są używane jednorazowo i stają się bezużyteczne, ponieważ materiały elektrod w nich nieodwracalnie zmieniają się podczas ładowania. Typowymi przykładami są baterie cynkowo-węglowe, a także baterie alkaliczne stosowane w zabawkach, latarkach i wielu urządzeniach przenośnych. Baterie wtórne (ładowalne) mogą być wielokrotnie rozładowywane i ładowane, ponieważ pierwotny skład elektrod jest w stanie odzyskać funkcjonalność. Przykładami są akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w pojazdach i akumulatory litowo-jonowe stosowane w przenośnej elektronice.
Baterie mają różne kształty i rozmiary do niezliczonych różnych celów. Różne rodzaje baterii mają różne zalety i wady. Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd) mają stosunkowo niską gęstość energii i są stosowane tam, gdzie kluczem jest długa żywotność, wysoki stopień rozładowania i ekonomiczna cena. Można je znaleźć między innymi w kamerach wideo i elektronarzędziach. Baterie NiCd zawierają toksyczne metale i są nieprzyjazne dla środowiska. Akumulatory niklowo-wodorkowe mają wyższą gęstość energii niż akumulatory NiCd, ale mają również krótszą żywotność. Zastosowania obejmują telefony komórkowe i laptopy. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są ciężkie i odgrywają ważną rolę w zastosowaniach dużej mocy, gdzie waga nie jest najważniejsza, ale cena jest ekonomiczna. Są powszechne w zastosowaniach takich jak sprzęt szpitalny i oświetlenie awaryjne.
Baterie litowo-jonowe (Li-ion) są używane tam, gdzie ważna jest wysoka energia i minimalna waga, ale technologia jest delikatna i wymagany jest obwód ochronny, aby zapewnić bezpieczeństwo. Zastosowania obejmują telefony komórkowe i różnego rodzaju komputery. Baterie litowo-polimerowe (polimer litowo-jonowy) znajdują się głównie w telefonach komórkowych. Są lekkie i cieszą się smuklejszą formą niż akumulatory litowo-jonowe. Są też zwykle bezpieczniejsze i mają dłuższe życie. Wydaje się jednak, że są one mniej rozpowszechnione, ponieważ akumulatory litowo-jonowe są tańsze w produkcji i mają wyższą gęstość energii.
Baterie i superkondensatory
Chociaż istnieją pewne rodzaje baterii, które są w stanie przechowywać duże ilości energii, są one bardzo duże, ciężkie i uwalniają energię powoli. Z drugiej strony kondensatory są w stanie szybko ładować i rozładowywać, ale mają znacznie mniej energii niż akumulator. Zastosowanie grafenu w tej dziedzinie stwarza jednak ekscytujące nowe możliwości magazynowania energii, z wysokimi szybkościami ładowania i rozładowania, a nawet przystępnością ekonomiczną. Poprawiona wydajność grafenem zaciera w ten sposób konwencjonalną linię rozróżnienia między superkondensatory i baterie.
Baterie grafenowe łączą w sobie zalety baterii i superkondensatorów
Baterie wzmocnione grafenem są już prawie dostępne
Baterie na bazie grafenu mają ekscytujący potencjał i chociaż nie są jeszcze w pełni dostępne na rynku, badania i rozwój są intensywne i miejmy nadzieję, że przyniosą wyniki w przyszłości. Firmy na całym świecie (m.in. Samsung, Huawei i inne) opracowują różne rodzaje baterii wzbogaconych grafenem, z których niektóre wchodzą obecnie na rynek. Główne zastosowania to pojazdy elektryczne i urządzenia mobilne.
Niektóre baterie wykorzystują grafen w sposób peryferyjny – nie w chemii baterii. Na przykład w 2016 roku Huawei zaprezentował nową baterię litowo-jonową wzmocnioną grafenem który wykorzystuje grafen, aby zachować funkcjonalność w wyższej temperaturze (60° stopni w przeciwieństwie do istniejącego limitu 50°) i oferuje dwukrotnie dłuższy czas działania. W tej baterii zastosowano grafen dla lepszego odprowadzania ciepła – obniża on temperaturę pracy baterii o 5 stopni.
Źródło: Baterie grafenowe: wprowadzenie i aktualności rynkowe | Grafen-Informacje
