Wat is een grafeenbatterij? [Een eenvoudig overzicht]

De batterijtechnologie is tegenwoordig veel verbeterd. Maar als er iets is waar mensen nooit genoeg van zullen krijgen, dan is het wel de belofte van een langere batterijduur. Zou het niet geweldig zijn als onze laptops en smartphones een hele week intensief gebruik zouden meegaan met slechts één keer opladen? Of wat als elektrische auto's binnen enkele minuten volledig kunnen worden opgeladen?

Met grafeenbatterijen is het allemaal mogelijk.

Grafeen is momenteel het meest onderzochte materiaal voor ladingsopslag. Resultaten van verschillende laboratoria over de hele wereld bevestigen het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de energieopslagindustrie.

Grafeen, ontdekt in 2004, zou in het volgende decennium veel nieuwe functies kunnen bieden voor apparaten voor energieopslag, zoals volledig oprolbare batterijen, kleinere condensatoren, apparaten met hoge capaciteit en snel opladen en transparante batterijen.

Laten we dieper graven en meer te weten komen over deze baanbrekende technologie:wat is het verschil met bestaande lithium-ionbatterijen, wat zijn de toepassingen en waarom is het zo belangrijk.

Wat is precies een grafeenbatterij?

Grafeen, een vel koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster, wordt vanwege zijn unieke eigenschappen erkend als een 'wondermateriaal'. Het is een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, indrukwekkend flexibel, bijna transparant, 100 keer sterker dan staal van dezelfde dikte en extreem licht van gewicht.

Atomen in grafeen gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster

En omdat het materiaal ook nog eens milieuvriendelijk en duurzaam is, heeft het onbeperkte mogelijkheden in een breed scala aan toepassingen. Een van die veelbelovende toepassingen is de batterij van de volgende generatie.

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

Batterijen gemaakt met grafeen kunnen alles van stroom voorzien, van draagbare apparaten tot elektrische voertuigen. Ze houden meer vermogen vast en hebben een langere levensduur dan bestaande commerciële (lithium-ion)batterijen.

Grafeen als batterij kan ook worden gebruikt als een supercondensator, die ongelooflijk snel kan opladen en ontladen. Ze zouden de beschaving zelfs kunnen helpen om eindelijk afstand te nemen van schadelijke fossiele brandstoffen.

Hoe verschillen ze van traditionele batterijen?

Grafeenbatterijtechnologie is vergelijkbaar met lithium-ionbatterijen:het heeft twee vaste elektroden en een elektrolytoplossing om de stroom van ionen mogelijk te maken. Sommige grafeenbatterijen bevatten echter vaste elektrolyt.

Het belangrijkste verschil zit in de bestanddelen van een of beide elektroden. In een conventionele batterij is de kathode (positieve elektrode) volledig gemaakt van solid-state materialen. In een grafeenbatterij is de kathode echter gemaakt van een hybride component die grafeen en een metallisch materiaal in vaste toestand bevat.

De hoeveelheid grafeen die in de elektrode wordt gebruikt, varieert, afhankelijk van de efficiëntie en prestatie-eisen van het vastestofmateriaal. Bovendien biedt grafeen, als anode, een hoge capaciteit en superieure snelheid.

Huidige uitdagingen

In de afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende op grafeen gebaseerde batterijen gedemonstreerd die beter presteren dan de in de handel verkrijgbare batterijen. De technologie is echter nog niet op de markt. Er moeten nog twee grote hindernissen worden genomen:

1. Het gebrek aan efficiënte processen om hoogwaardig grafeen in grote hoeveelheden te produceren
2. De productiekosten zijn momenteel onbetaalbaar hoog.

De productie van één kilogram grafeen kost tienduizenden dollars:de hoeveelheid varieert naargelang de vereiste van materiaalkwaliteit. Aangezien actieve kool die momenteel in supercondensatoren wordt gebruikt, tegen lage kosten verkrijgbaar is ($ 15 per kg), is het erg moeilijk voor andere materialen om de commerciële markt te betreden.

12 nieuwe functies van grafeenbatterijen

Binnenkort zou grafeen een nieuwe generatie energieopslagapparaten kunnen opleveren met buitengewone eigenschappen die met de huidige technologie niet mogelijk zijn.

1. Supercondensatoren met AC-lijnfiltering 

Een elektrische dubbellaagse condensator op basis van verticaal georiënteerde grafeenplaten kan zeer snel worden opgeladen/ontladen (in minder dan een milliseconde). Tientallen materialen zijn getest voor AC-lijnfiltering, waaronder grafeenoxide, grafeen-CNT (Carbon NanoTube) tapijt en grafeenquantumdots.

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

2. Flexibele apparaten voor energieopslag

Bestaande batterijen en supercondensatoren zijn onbuigzaam:het verbuigen ervan kan dus leiden tot elektrolytlekkage en celbeschadiging. Grafeen, met zijn tweedimensionale één-atoom-dikke structuur, kan echter worden vervormd in de richting loodrecht op het oppervlak zonder schade aan te richten.

Naast deze inherente mechanische flexibiliteit, maken de fenomenale elektrische eigenschappen en het grote oppervlak grafeen een veelbelovend materiaal voor flexibele batterijen.

3. Rekbare batterijen en supercondensatoren

Rekbare energieopslagapparaten kunnen worden gebouwd door gebruik te maken van de structurele rekbaarheid van micro-honingraat grafeen-CNT/actief materiaal composietelektroden en een fysiek verknoopte gelelektrolyt.

Grafeen-CNT/actief materiaalfilm op het rekbare substraat | Krediet:ACS Nano

Actieve materialen die met elkaar zijn verbonden via de verstrengelde koolstofnanobuizen en grafeenplaten, zorgen voor een mechanisch stabiel poreus netwerkraamwerk, terwijl het naar binnen uitstekende raamwerk in de honingraatstructuur structurele uitrekking tijdens vervorming mogelijk maakt.

4. Snel opladende lithium-ionbatterijen

Omdat grafeen snellere ionen- en elektronenoverdracht in de elektroden mogelijk maakt, kunnen lithium-ionbatterijen die zijn uitgerust met grafeen in veel minder tijd worden opgeladen en ontladen.

Bijvoorbeeld een lithium-ionbatterij geladen met LiFePO₄ . op nanoschaal kathode en Li₄ Ti₅ O₁₂ anodematerialen op flexibel grafeenschuim kunnen in slechts 18 seconden volledig worden opgeladen. Puur grafeen kan ook worden gebruikt bij de anode om de capaciteit en ultrasnelle laad-/ontlaadsnelheid te verbeteren.

5. Batterijen voor draagbare apparaten 

Recente ontwikkelingen in de coaxiale en kernmantelelektroden hebben het mogelijk gemaakt om elektrodemateriaal en stroomcollector te combineren in een enkel garen, dat direct in textiel kan worden geweven of gebreid.

Grafeen kan effectief worden samengevoegd tot multifunctionele microvezels en tot stoffen worden geweven. Grafeen kern-omhulsel-microvezels zijn al gebruikt om flexibele en rekbare supercondensatoren (met een hoge oppervlaktecapaciteit) te demonstreren die met traditionele weefmethoden in textiel kunnen worden verwerkt.

6. Ultradunne stroomcollectoren voor lichtgewicht apparaten

Bestaande batterijen gebruiken stroomcollectoren van metaalfolie (zoals koper, aluminium of nikkel) met een dikte van 20-80 micrometer om de elektronenstroom tussen elektroden en externe circuits te vergemakkelijken. Aangezien deze metalen geen lading opslaan, verminderen ze de algehele energiedichtheid van de batterij. Bovendien hebben ze last van corrosie, wat een negatieve invloed heeft op de interne weerstand van de cel en de levensduur van de batterij.

Grafeen is daarentegen een betere alternatieve stroomafnemer. Het heeft een hoge elektrische geleidbaarheid, een lage dichtheid en kan stabiel presteren onder extreme bedrijfsomstandigheden. Grafeen kan gemakkelijk worden omgezet in films met rimpels en rimpels op het oppervlak, wat resulteert in een beter elektrisch contact met actieve materialen (dit vermindert de celweerstand verder).

7. Transparante batterijen en supercondensatoren

Vanwege de hoge geleidbaarheid en behoorlijke transparantie (tot 97,7% transmissie) kan grafeen een belangrijke rol spelen bij het efficiënter maken van transparante batterijen. Het kan worden gebruikt als elektrodemateriaal, niet alleen voor het ontwikkelen van transparante apparaten voor energieopslag, maar ook voor slimme ramen, zonnecellen en verschillende opto-elektronische apparatuur.

8. Batterijen die langer meegaan 

De huidige lithium-ionbatterijen gebruiken grafietanodes. De energiedichtheid kan worden verhoogd door grafiet te vervangen door grafeen.

Grafeenelektroden in de vorm van gevouwen grafeenpapier, poreuze grafeenfilms en gesolvateerde grafeenframes bieden drie keer meer capaciteit dan traditionele grafietelektroden, wat een groter bereik voor elektrische voertuigen en langere looptijden voor draagbare apparaten belooft.

De capaciteit en vermogensdichtheid kan verder worden verbeterd door grafeenanoden te doteren met stikstof en boor.

9. Grafeenoxide als vast elektrolyt en afscheider

Grafeenoxide is een goede elektronische isolator. Het kan tegelijkertijd worden gebruikt als een levensvatbare vaste elektrolyt en elektrodescheider. Sommige onderzoeken tonen aan dat een grafeenoxidefilm, die werkt als een vaste elektrolyt, een hoge capaciteit vertoont, maar met niet-detecteerbare ionische diffusie, vergelijkbaar met diëlektrische condensatoren.

Deze waarnemingen kunnen onderzoekers helpen om ultrasnelle, lichtgewicht, energierijke condensatoren te ontwikkelen die niet lijden aan ionendiffusie, wat vaak verantwoordelijk is voor elektrolytlekkage.

10. Supercondensatoren met de energiedichtheid van batterijen

Supercondensatoren gemaakt met [poreuze en dichte] grafeenschuimen hebben meestal ultrahoge energiedichtheden die vergelijkbaar zijn met loodzuurbatterijen. Deze grafeenschuimen worden gemaakt door kleine gaatjes in de basale vlakken van grafeen te graven en deze vervolgens samen te persen met geavanceerde hydraulische apparatuur.

Het grote voordeel van grafeen-supercondensatoren ten opzichte van traditionele is dat ze werken met waterige elektrolyten en kunnen worden vervaardigd zonder geavanceerde 'droge kamer'-assemblage.

11. Semipermeabele grafeenoxidemembranen

Grafeenoxidemembranen vertonen verschillende unieke barrière-eigenschappen. In droge toestand zijn deze membranen voor alles ondoordringbaar, behalve voor waterdamp. In water gedragen ze zich als moleculaire zeven, ze blokkeren grote ionen terwijl ze het transport van kleinere vergemakkelijken.

Deze eigenschappen kunnen leiden tot de ontwikkeling van ionselectieve membranen van de nieuwe generatie voor supercondensatoren, batterijen en brandstofcellen.

12. Binder- en additiefvrije elektroden

Bindmiddel en additieven vormen samen tot 40% van de massa van de elektrode. Het staat bekend als 'dode massa' omdat het geen lading opslaat en dus de algehele energiedichtheid verlaagt.

Maar aangezien grafeen kan worden geassembleerd tot op zichzelf staande 2D- en 3D-structuren met een hoge elektriciteitsgeleiding, is het mogelijk om grafeen rechtstreeks in elektroden op te nemen, zonder toevoeging van bindmiddelen en geleidende middelen.

Lezen:Solid State-batterij [Een eenvoudig overzicht]

Recente onderzoeken

In het afgelopen decennium hebben wetenschappers zich gericht op het verbeteren van de uitgebreide elektrochemische prestaties en betrouwbaarheid van bestaande batterijen. Ze hebben veel verschillende versies van batterijen ontwikkeld en getest die zijn uitgerust met grafeencomposieten.

Lithium-ionbatterij op basis van geoptimaliseerde grafeen/silicium-nanocomposieten

Onderzoekers hebben een geoptimaliseerd gereduceerd grafeenoxide/siliciumcomposiet gefabriceerd met behulp van een eenvoudige zelfassemblagemethode met sjablonen. Grafeen ondersteunt op uniforme wijze silicium nanodeeltjes en vormt een driedimensionaal netwerk (vanwege de verbeterde intermoleculaire interactie en het grotere specifieke oppervlak).

De synthetische strategie van de geoptimaliseerde RGO/Si-composiet | Tegoed:ACS-publicaties 

Het kan worden gebruikt als een stabiel vast-elektrolyt interfase-vel, dat zowel de elektrische geleidbaarheid als de structurele stabiliteit verhoogt.

Op grafeen gebaseerde buidelcellen

Een op grafeen gebaseerde quasi-solid-state lithium-zuurstofbatterij levert gravimetrische en volumetrische energiedichtheden die hoger zijn dan bestaande lithium-ion-polymeerbatterijen. Het bestaat uit een 3D-poreuze grafeenkathode, poreuze grafeen/Li-anode en redoxmediator-gemodificeerde gelpolymeerelektrolyt.

Schematische illustratie op grafeen gebaseerde Li-O2-batterij | Tegoed:natuur 

Deze studie opent een nieuwe weg voor het ontwikkelen van veilige en stabiele lithium-zuurstofbatterijen met stabiel fietsen bij een grote capaciteit en een laag overpotentiaal.

Grafeenlaminaatfilms voor capacitieve energieopslag

In 2020 ontwierp een team van onderzoekers een vrijstaande grafeenlaminaatfilmelektrode met een zeer efficiënt poriëngebruik. Het is gemakkelijk om de porositeit te configureren door de tussenlaagafstand van de film aan te passen. Omdat poriën optimaal worden benut, wordt de volumetrische capaciteit gemaximaliseerd.

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

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

Laser-geïnduceerde op grafeen gebaseerde elektrode

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

Meer dan 30.000 MSC's worden gefabriceerd op een oppervlakte van één centimeter | Tegoed:Beijing Institute of Technology 

Deze lasergeïnduceerde, op grafeen gebaseerde elektrode vertoont een uitstekende specifieke capaciteit, een ultrakorte tijdconstante, een ultrahoge energiedichtheid en een langdurige cyclusbaarheid.

Markt

Het onderzoek naar grafeen zal de komende tien jaar blijven groeien met de belofte mensenlevens te verbeteren. In 2019 werd de wereldwijde markt voor grafeenbatterijen geschat op $ 49 miljoen en zal naar verwachting in 2027 ongeveer $ 399 miljoen bereiken, met een CAGR (samengestelde jaarlijkse groei) van meer dan 31% tijdens de prognoseperiode.

De marktgroei wordt aangedreven door het gebruik van grafeenbatterijen in elektrische voertuigen, draagbare elektronische apparaten en de sterke toename van het gebruik van niet-conventionele energiebronnen. Het autosegment zal naar verwachting het hoogste groeipercentage hebben vanwege de toenemende vraag naar elektrische auto's vanwege milieuoverwegingen.

Lees:10 verschillende soorten batterijen | Uitgelegd

Op basis van de regio zal de regio Azië-Pacific naar verwachting het grootste deel van de grafeenbatterij-industrie uitmaken. De belangrijkste landen die bijdragen aan de toegenomen vraag zijn China, Japan en Zuid-Korea. Europa zal waarschijnlijk het op één na grootste aandeel hebben in de wereldwijde markt voor grafeenbatterijen.