Grafen for at gøre storskala ellagring til en realitet

(Phys.org) —Graphene – verdens tyndeste materiale isoleret ved University of Manchester – kunne gøre batterier lette, holdbar og velegnet til energilagring med høj kapacitet fra vedvarende energi.

Manchester er hjemsted for grafen, da den 'to-dimensionelle' et-atom-tykke carbon-allotrop første gang blev isoleret her i 2004. University of Manchester er et kraftcenter for anvendt og grundlæggende grafenforskning, med National Graphene Institute førende.

Grafen lover en revolution inden for elektro- og kemiteknik. Det er en potent leder, ekstremt let, kemisk inert og fleksibel med et stort overfladeareal. Det kunne være den perfekte kandidat til energilagring med høj kapacitet.

Kort efter grafens isolation, Tidlig forskning viste allerede, at lithiumbatterier med grafen i deres elektroder havde en større kapacitet og levetid end standarddesign.

Et nyt projekt 'Electrochemical Energy Storage with Graphene-Enabled Materials' udforsker forskellige måder at reducere størrelsen og vægten af ​​batterier og forlænge deres levetid ved at tilføje grafen som et komponentmateriale.

"Men før vi bygger batterierne, skal vi vide, hvordan grafen vil interagere med de kemiske komponenter - specifikt elektrolytter, " kommenterer professor Andrew Forsyth fra School of Electronics and Electrical Engineering.

Hans kollega professor Robert Dryfe fra School of Chemistry udfører eksperimenter for at analysere de kemiske interaktioner mellem grafen og lithiumioner. Professor Dryfe undersøger også, hvor hurtigt elektroner overføres over grafen og størrelsen af ​​kapacitansen - mængden af ​​elektrisk energi, der kan lagres på grafenoverflader.

Akademikerne samarbejder med en række kommercielle partnere, bl. inklusive Rolls-Royce, Sharp og Morgan avancerede materialer. Kommercielt partnerskab er afgørende for udviklingen af ​​de fremtidige anvendelser af grafen. Graphene@Manchester arbejder i øjeblikket med mere end 30 virksomheder fra hele verden på forskningsprojekter og applikationer.

Et andet fokus i projektet er grafenbaserede superkondensatorer, som har en tendens til at have høj strømkapacitet og længere levetid end batterier, men lavere energilagringskapacitet. Alligevel, de lover meget at komplementere batterier som en del af en integreret opbevaringsløsning.

Ifølge professor Forsyth kunne en kombination af grafenbatterier og superkondensatorer give elbilsalget et alvorligt skub. I dag kører disse grønne køretøjer på batterier, der vejer 200 kg – så meget som tre passagerer. Ved at reducere batteriernes vægt burde grafen øge køretøjernes effektivitet og øge elbilers rækkevidde til over 100 km – en begrænsning, der i øjeblikket forhindrer deres udbredte optagelse.

"Hvis vi kan forlænge de afstande, som biler kan rejse mellem ladepunkter, vil vi øjeblikkeligt gøre dem mere populære, " siger professor Forsyth. "Men hvordan vil batterierne klare de virkelige belastninger ved kørsel? Elbiler – som alle andre køretøjer – køres ikke glat. Dramatiske spidsbelastninger i strømbehovet, når chauffører accelererer, vil stresse batteriet og potentielt begrænse dets levetid."

For at teste, om prototypegrafenbatterier og superkondensatorer er op til jobbet, Professor Forsyth vil udsætte dem for belastninger fra den virkelige verden, der efterligner forskellige køreprofiler. "Vi kan endda teste teknologien til at køre under ekstreme vejrforhold, " tilføjede han. "Mange batterier kæmper for at præstere under kolde forhold, men vores vejrkammer vil afsløre eventuelle svagheder."

Selvfølgelig, grafenbaseret opbevaring er ikke begrænset til transport. Det kan spille en stor rolle i fremtiden for National Grid, efterhånden som Storbritannien bliver stadig mere afhængig af vedvarende energi. "Hvis vi er afhængige af sol- og vindkraft til at producere energi, hvad vil der ske, når skyer blokerer for solen, og vinden bare er en leg?" spørger professor Forsyth. "Hvis vi kan udvikle højkapacitets elektrisk lager, operatører vil være i stand til at lagre elektricitet til tider med lav produktion."

Et batteri- og konvertersystem i netskala er ved at blive installeret på Manchesters campus for at teste elektrisk lagring i stor skala. Forskere vil bruge batterisystemet til at udvikle metoder til at kontrollere strømmen af ​​elektricitet og afstemme forskelle mellem elproduktion og lokal efterspørgsel.