Grafen mangler en ingrediens for at hjælpe med at superlade batterier for livet på farten

Mens vores gadgets i disse dage konstant bliver mindre og mere kraftfulde, udviklingen af ​​kommercielle batterier, både små nok og med tilstrækkelig kapacitet til at dække deres strømkrævende krav, har ikke helt holdt trit.

De fleste mennesker vil have hørt om Lithium-ion (Li-ion) batterier. De er i næsten alle mobile elektroniske enheder – fra din mobiltelefon og bærbare computer, til backup af strømforsyninger på jetfly og endda rumfartøjer. Overraskende dog, på trods af denne store efterspørgsel, det grundlæggende design af Li-ion-batterier har været stort set ens i de seneste år.

Batterilevetid er ofte den begrænsende faktor i mange eksisterende og eksperimentelle applikationer. Det er nøglen til fremtiden for teknologier som elbiler, og for energilagring med høj kapacitet til vedvarende energi, såsom vind- og solenergi. Faktisk har de forholdsvis langsomme fremskridt med udviklingen af ​​nye batterier resulteret i, at mange elektronikproducenter har vendt sig til at forsøge at reducere eller vedligeholde deres produkters strømbehov for at finde en balance.

Hvilket ikke er at sige, at der ikke er forskning i nye energilagringsteknikker. Faktisk langt fra. De sidste par årtier har set en eksplosion af forskning på dette område. Ikke overraskende, en hel del af dette drejer sig om at forbedre Li-ion-batterier. Det nye "vidundermateriale" grafen er også blevet foreslået som en mulig nøgle til løsningen. Grafen har en række interessante egenskaber, der har fået forskere til at foreslå enten at modificere komponenter i Li-ion-batterier, eller bruge grafen som energilagringsmedium i stedet for som lovende løsninger.

Bare tilføj grafen

Grafen er også blevet brugt til at udvikle elektroniske enheder med ekstremt lave strømkrav. Dette er muligt (til dels), fordi ren grafen har den laveste resistivitet af noget kendt materiale ved stuetemperatur - enheder lavet af ren grafen kan lede elektricitet mere effektivt end noget andet materiale (ved stuetemperatur). Som en konsekvens, meget lidt energi spildes.

Enheder bygget med grafen ville ikke opleve de samme problemer med opvarmning, som den nuværende elektronik står over for - de kunne køre på ubestemt tid med meget lidt temperaturstigning. Varme er dårligt for elektronikken; det betyder, at energi bliver spildt, og det tjener ofte til at reducere effektiviteten af ​​enheden yderligere, når den opvarmes. Ren grafen eliminerer stort set energitab af denne art, hvilket gør enheder fremstillet af det ekstremt energieffektive. For forbrugerelektronik, dette kan betyde betydeligt mere kraftfulde enheder med massivt forbedret batterilevetid – et win-win-scenarie, hvis der nogensinde var et.

Hvad mere er, undersøgelser viser, at brug af grafen til at erstatte eller forbedre komponenter i Li-ion-batterier kan forbedre batteriets energitæthed og levetid markant. En populær teknik har været at lave anoder eller katoder i Li-ion-batterier af grafen.

Dit næste batteri kan være en superkondensator

En anden teknik er at bruge grafen som selve energilagringsmediet. Dette er blevet brugt til at konstruere superkondensatorer - måske den stærkeste fremtidige konkurrent til Li-ion-batterier i anvendelser, der kræver meget hurtige opladningstider, som i tilfældet med elbiler.

Dette er uden tvivl deres kritiske egenskab. En superkondensator kan gå fra fuldt afladet til fuldt opladet mange størrelsesordener hurtigere end sammenlignelige Li-ion-batterier. I denne sammenhæng, det er det store overfladeareal af grafen, der er vigtigt, fordi mængden af ​​ladning, der kan opbevares, er relateret til overfladearealet af de materialer, den er lavet af. Så igen, grafen er ideelt.

På trods af superkondensatorers potentiale til at udfordre det allestedsnærværende Li-ion batteri, nuværende superkondensatorer er uvægerligt for store og for dyre til at erstatte dem i de samme roller. Imidlertid, prototyper indikerer, at superledere kan opfylde de nødvendige krav til at udskifte konventionelle batterier i en ikke alt for fjern fremtid.

Ultimativt, udfordringen med enhver af disse prototyper er evnen til at skalere produktionen til at opfylde kravene fra forbrugerelektronikindustrien. Grafenbaserede løsninger har hidtil været notorisk vanskelige at fremstille i stor skala, til dels takket være vanskeligheden ved at isolere grafen af ​​høj kvalitet. Alligevel, fremtiden for energilagring og energieffektiv teknologi ser lys ud. Uanset om grafen i sidste ende spiller en rolle i revolutionen eller ej, det er klart, at forskningen i disse teknologier i sidste ende vil føre til introduktionen af ​​billigere og mere holdbare produkter med en højere kapacitet.

Det er ingen underdrivelse at sige, at der venter en energirevolution som et resultat af næste generations energilagringsenheder, som kunne hjælpe med at indlede en alder af fuldt elektriske køretøjer, storstilet vedvarende energiproduktion og ophøret af vores afhængighed af fossile brændstoffer.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).