Grafene-batterijen uitgelegd: De toekomst van langdurige energieopslag

Batterijtechnologie is de afgelopen jaren aanzienlijk verbeterd. Maar als er één ding is waar mensen nooit genoeg van kunnen krijgen, dan is het de belofte van een langere batterijduur. Zou het niet geweldig zijn als onze laptops en smartphones een hele week intensief gebruik aanhouden met één enkele lading? Of wat als elektrische auto's in minuten volledig opgeladen kunnen worden?

Met grafene-batterijen is dit allemaal mogelijk.

Grafene is momenteel het meest onderzochte materiaal voor ladingopslag. Resultaten van diverse laboratoria over de hele wereld bevestigen het potentieel om de energielopslagindustrie te revolutioneren.

Ontdekt in 2004, kan grafene in het komende decennium veel nieuwe mogelijkheden bieden voor energielopslagapparaten, zoals volledig rolbare batterijen, kleinere condensatoren, hoogcapaciteits- en snellaadapparaten, en transparante batterijen.

Laten we dieper duiken in deze breekbare technologie: hoe verschilt het van bestaande lithium-ionbatterijen, wat zijn de toepassingen, en waarom is het zo'n grote kwestie?

Wat is precies een grafene-batterij?

Grafene, een laag koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionale honingraatstructuur, wordt erkend als een 'wondermateriaal' vanwege zijn unieke eigenschappen. Het is een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, indrukwekkend flexibel, bijna transparant, 100 keer sterker dan staal van dezelfde dikte, en extreem lichtgewicht.

Atomen in grafene gerangschikt in een tweedimensionale honingraatstructuur

En aangezien het materiaal ook ecologisch verantwoord en duurzaam is, heeft het onbegrensde mogelijkheden in een breed scala aan toepassingen. Een van die veelbelovende toepassingen is de volgende generatie batterij.

Grafene kan geïntegreerd worden in verschillende soorten batterijen: metaal-lucht, redox-flow, lithium-metaal, lithium-zwavel, en nog belangrijker, lithium-ionbatterijen. Het kan chemisch verwerkt worden in verschillende versies die geschikt zijn voor zowel de negatieve als de positieve elektrode.

Batterijen gemaakt met grafene kunnen alles aandrijven, van handheld apparaten tot elektrische voertuigen. Ze houden meer stroom en hebben langere levenscycli dan bestaande commerciële (lithium-ion) batterijen.

Grafene als batterij kan ook als supercondensator fungeren, die ongelofelijk snel kan laden en ontladen. Feitelijk kunnen ze de beschaving helpen om uiteindelijk afstand te doen van schadelijke fossiele brandstoffen.

Hoe verschillen ze van traditionele batterijen?

Grafene-batterijtechnologie lijkt op lithium-ionbatterijen: het heeft twee vaste elektrolyten en een elektrolytoplossing om de stroom van ionen mogelijk te maken. Sommige grafene-batterijen hebben echter een vast elektrolyt.

Het belangrijkste verschil ligt in de samenstelling van één of beide elektroden. In een conventionele batterij bestaat de kathode (positieve elektrode) volledig uit vaste-stof materialen. In een grafene-batterij echter is de kathode gemaakt van een hybride component die grafene en een vast metaalmateriaal bevat.

De hoeveelheid grafene die in de elektrode wordt gebruikt, varieert, afhankelijk van de efficiëntie en prestatie-eisen van het vast-stof materiaal. Bovendien biedt grafene als anode een hoge capaciteit en superieure snelheidscapaciteit.

Huidige uitdagingen

In de afgelopen jaren hebben onderzoekers diverse grafene-gebaseerde batterijen gedemonstreerd die de commercieel beschikbare batterijen uitsteken. Toch is de technologie nog niet op de markt gekomen. Twee grote obstakels moeten nog overwonnen worden:

1. Het gebrek aan efficiënte processen voor het produceren van hoogwaardig grafene in grote hoeveelheden
2. De productiekosten zijn op dit moment prohibitief hoog.

Het produceren van één kilogram grafene kost tienduizenden dollars: het bedrag varieert volgens de kwaliteitseisen van de materialen. Omdat geactiveerd koolstof, momenteel gebruikt in supercondensatoren, tegen lage kosten beschikbaar is ($15 per kg), is het heel moeilijk voor andere materialen om de commerciële markt te betreden.

12 Nieuwe kenmerken van grafene-batterijen

Binnenkort kan grafene een nieuwe generatie energielopslagapparaten vestigen met buitengewone kenmerken die met de huidige technologie niet mogelijk zijn.

1. Supercondensatoren met AC-lijnfiltering

Een elektrische dubbellaagcondensator gebaseerd op verticaal georiënteerde grafene-lagen kan extreem snel worden geladen/ontladen (in minder dan een milliseconde). Duzijnen materialen zijn getest voor AC-lijnfiltering, waaronder grafene-oxide, grafene-CNT (koolstofnanobuizen) tapijt, en grafene-kwantumpunten.

Dergelijke ultrasnelle supercondensatoren kunnen de grote elektrolytische condensatoren die momenteel in elektronica worden gebruikt, vervangen, waardoor elektronische apparaten lichter en kleiner worden.

2. Flexibele energielopslagapparaten

Bestaande batterijen en supercondensatoren zijn rigide: buigen kan leiden tot elektrolytlekken en celschade. Grafene echter, met zijn tweedimensionale één-atoom-dikke structuur, kan vervormd worden in de richting normaal aan zijn oppervlak zonder schade.

Naast deze inherent mechanische flexibiliteit, maken de fenomentale elektrische eigenschappen en het grote oppervlakte grafene een veelbelovend materiaal voor flexibele batterijen.

3. Uitrekbare batterijen en supercondensatoren

Uitreikbare energielopslagapparaten kunnen gebouwd worden door de structurele uitreikbaarheid van micro-honingraat grafene-CNT/actief materiaal composiet elektroden en een fysiek gekruist gel-elektrolyt te benutten.

Grafene-CNT/actief materiaal film op uitreikbaar substraat | Bron: ACS Nano

Actieve materialen die via de verstrengelde koolstofnanobuizen en grafene-lagen met elkaar verbonden zijn, bieden een mechanisch stabiel porieus netwerkraamwerk, terwijl het naar binnen stekende raamwerk in de honingraatstructuur structurele rek bij vervorming toestaat.

4. Snelopladende lithium-ionbatterijen

Omdat grafene snellere ionen- en elektronenoverdracht in de elektroden mogelijk maakt, kunnen lithium-ionbatterijen uitgerust met grafene in veel minder tijd worden geladen en ontladen.

Bijvoorbeeld: een lithium-ionbatterij geladen met nanoschaalse LiFePO₄ kathode en Li₄Ti₅O₁₂ anode materialen op flexibele grafene-schuim kan in slechts 18 seconden volledig opgeladen worden. Zuiver grafene kan ook aan de anode gebruikt worden om de capaciteit en ultrasnelle laad/ontlaadsnelheid te verbeteren.

5. Batterijen voor draagbare apparaten

Recente vooruitgang in coaxiale en core-sheath elektroden heeft het haalbaar gemaakt om elektrodemateriaal en stroomverzamelaar in een enkele draad te combineren, die direct in textielen geweven of gebreid kan worden.

Grafene kan effectief geassembleerd worden in multifunctionele microvezels en in stoffen geweven. Grafene core-sheath microvezels zijn al gebruikt om flexibele en uitreikbare supercondensatoren (met hoge areale capaciteit) te demonstreren die met traditionele weefmethodes in textielen geïntegreerd kunnen worden.

6. Ultradunne stroomverzamelaars voor lichtgewicht apparaten

Bestaande batterijen gebruiken metalen foliestroomverzamelaars (zoals koper, aluminium of nikkel) met een dikte van 20-80 micrometer om de elektronenstroom tussen elektroden en externe circuits te faciliteren. Omdat deze metalen geen lading opslaan, verlagen ze de algehele energiedichtheid van de batterij. Bovendien lijden ze aan corrosie, wat negatief de interne weerstand en levensduur van de cel beïnvloedt.

Grafene is een betere alternatieve stroomverzamelaar. Het heeft een hoge elektrische geleiding, lage dichtheid, en kan stabiel presteren onder extreme omstandigheden. Grafene kan gemakkelijk omgezet worden in films met rimpels en vouwen op het oppervlak, wat resulteert in een betere elektrische contact met actieve materialen (dit verlaagt de celweerstand verder).

7. Transparante batterijen en supercondensatoren

Vanwege zijn hoge geleidbaarheid en fatsoenlijke transparantie (tot 97,7% doorlaatbaarheid) kan grafene een significante rol spelen bij het efficiënter maken van transparante batterijen. Het kan als elektrodemateriaal gebruikt worden niet alleen voor het ontwikkelen van transparante energielopslagapparaten, maar ook voor slimme ramen, zonnecellen, en diverse optoelektronische apparatuur.

8. Langer meegande batterijen

Tegenwoordige lithium-ionbatterijen gebruiken graafietanoden. De energiedichtheid kan verhoogd worden door graafiet te vervangen door grafene.

Grafene-elektroden in de vorm van gevouwen grafene-papier, porieuze grafene-films, en gesolvateerde grafene-raamwerken bieden drie keer meer capaciteit dan traditionele graafiet-elektroden, wat een groter bereik voor elektrische voertuigen en langere looptijden voor handheld apparaten belooft.

De capaciteit en vermogensdichtheid kunnen verder verbeterd worden door grafene-anoden te doperen met stikstof and boor.

9. Grafene-oxide als vast elektrolyt en scheider

Grafene-oxide is een goede elektronische isolator. Het kan tegelijkertijd als een levensvatbaar vast elektrolyt en elektrodesscheider dienen. Sommige studies tonen aan dat een grafene-oxide film, die fungeert als vast elektrolyt, een hoge capaciteit vertoont maar met ondetecteerbare ionische diffusie, vergelijkbaar met diëlektrische condensatoren.

Deze observaties kunnen onderzoekers helpen ultrarapide, lichtgewicht, energiedichte condensatoren te ontwikkelen die niet lijden aan ionische diffusie, die vaak verantwoordelijk is voor elektrolytlek-gevaren.

10. Supercondensatoren met de energiedichtheid van batterijen

Supercondensatoren gemaakt met [porieuze en dichte] grafene-schuimen neigen tot ultra-hoge energiedichtheden vergelijkbaar met lood-zuurbatterijen. Deze grafene-schuimen worden gemaakt door minuscule gaten in de basale vlakken van grafene te boren en ze vervolgens te comprimeren met geavanceerde hydraulische apparatuur.

Het grote voordeel van grafene-supercondensatoren ten opzichte van traditionele is dat ze werken met waterige elektrolyten en geproduceerd kunnen worden zonder enig gecompliceerde 'droge ruimte' assemblage.

11. Semipermeabele grafene-oxide membranen

Grafene-oxide membranen tonen diverse unieke barrièrekenmerken. In de droge toestand zijn deze membranen ondoorlatbaar voor alles, met uitzondering van waterdamp. In water gedragen ze zich als moleculaire zeven, grote ionen blokkerend terwijl ze de transport van kleinere ionen faciliteren.

Deze kenmerken kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe generatie ion-selectieve membranen voor supercondensatoren, batterijen, en brandstofcellen.

12. Binder- en additiefvrije elektroden

Bindmiddelen en additieven maken samen tot 40% van de massa van de elektrode uit. Dit heet 'dode massa' omdat het geen lading opslaat en dus de algehele energiedichtheid verlaagt.

Maar aangezien grafene geassembleerd kan worden in zelfstandige 2D en 3D structuren met hoge elektrische geleiding, is het mogelijk om grafene direct in elektroden te verwerken, zonder bindmiddelen en geleidende additieven toe te voegen.

Recente studies

In het afgelopen decennium hebben wetenschappers zich gericht op het verbeteren van de uitgebreide electrochemische prestaties en betrouwbaarheid van bestaande batterijen. Ze hebben veel verschillende versies van batterijen uitgerust met grafene-composieten ontwikkeld en getest.

Lithium-ionbatterij gebaseerd geoptimaliseerde grafene/silicium nanocomposieten

Onderzoekers hebben een geoptimaliseerde gereduceerde grafene-oxide/silicium composiet gefabriceerd met behulp van een eenvoudige getemplateerde zelfassemblagemethode. Grafene ondersteunt uniform silicium-nanodeeltjes, vormend een driedimensionaal netwerk (door de versterkte intermoleculaire interactie en verhoogde specifieke oppervlakte).

De synthetische strategie van de geoptimaliseerde RGO/Si composiet | Bron: ACS Publications

Het kan gebruikt worden als een stabiele vast-elektrolyt interfaselaag, wat zowel de elektrische geleiding als de structurele stabiliteit verhoogt.

Grafene-gebaseerde pouch-cellen

Een grafene-gebaseerde quasi-vastestof lithium-zuurstofbatterij levert gravimetrische en volumetrische energiedichtheden op die hoger zijn dan bestaande lithium-ion polymerbatterijen. Het bestaat uit een 3D porieuze grafene-kathode, porieuze grafene/Li-anode, en redox-mediator-gemodificeerd gel-polymerelektrolyt.

Schematische illustratie grafene-gebaseerde Li-O2 batterij | Bron: Nature

Deze studie opent een nieuwe weg voor het ontwikkelen van veilige en stabiele lithium-zuurstofbatterijen met stabiele cycling bij een grote capaciteit en lage oplaadoverpotentiaal.

Grafene-laminaat films voor capacitieve energielopslag

In 2020 ontwierp een team onderzoekers een vrijstaande grafene-laminaat film elektrode met zeer efficiënt poriëngebruik. Het is eenvoudig om porositeit te configureren door de interlaageruimte van de film aan te passen. Omdat poriën optimaal benut worden, wordt de volumetrische capaciteit gemaximaliseerd.

Flexibele grafene-supercondensator kan 10x meer energie opslaan dan conventionele | Bron: University College London

Dit type supercondensatoren behoudt 97,8% van hun energiecapaciteit na 5.000 cycli. Ze zijn ook zeer flexibel: ze presteren bijna hetzelfde wanneer ze 180 graden gebogen zijn als wanneer ze plat liggen.

Laser-geïnduceerde grafene-gebaseerde elektrode

Wetenschappers hebben een flexibele micro-supercondensator gefabriceerd door een enkele puls laser fotonische reductie stempel. Met deze methode kunnen 1.000 ruimtelijk gevormde lasers per seconde geproduceerd worden, en meer dan 30.000 micro-supercondensatoren binnen 10 minuten.

Meer dan 30.000 MSCs geproduceerd in een vierkante centimeter oppervlakte | Bron: Beijing Institute of Technology

Deze laser-geïnduceerde grafene-gebaseerde elektrode vertoont een uitstekende specifieke capaciteit, een ultra-korte tijdsconstante, een ultra-hoge energiedichtheid, en een lange cyclusstabiliteit.

Markt

Grafene-onderzoek zal zich in het komende decennium blijven uitbreiden met de belofte om het menselijk leven te verbeteren. In 2019 had de wereldwijde grafene-batterijmarkt een waarde van $49 miljoen, en het wordt verwacht dat deze ongeveer $399 miljoen bereikt in 2027, met een CAGR (samengestelde jaargroei) van meer dan 31% in de voorspelde periode.

De marktgroei wordt gedreven door het gebruik van grafene-batterijen in elektrische voertuigen, draagbare elektronische apparaten, en de toegenomen adoptie van niet-conventionele energiebronnen. Het automobielsegment zal waarschijnlijk de hoogste groei vertonen vanwege de toenemende vraag naar elektrische auto's om milieudoeleinden.

Op basis van regio wordt verwacht dat de Azië-Pazifik regio de grootste aandeel in de grafene-batterijindustrie zal hebben. De sleutellanden die bijdragen aan de toegenomen vraag zijn China, Japan, en Zuid-Korea. Europa zal waarschijnlijk het op een na grootste aandeel hebben in de wereldwijde grafene-batterijmarkt.