Grafen och batterier
Grafen, ett ark av kolatomer bundna tillsammans i ett vaxkakemönster, är enormt känt som ett "undermaterial" på grund av de otaliga häpnadsväckande egenskaper det har. Det är en potent ledare av elektrisk och termisk energi, extremt lätt kemiskt inert och flexibel med en stor yta. Det anses också vara miljövänligt och hållbart, med obegränsade möjligheter för många tillämpningar.
Fördelarna med grafenbatterier
När det gäller batterier förbättras konventionella batterielektrodmaterial (och potentiella sådana) avsevärt när de förstärks med grafen. Ett grafenbatteri kan vara lätt, hållbart och lämpligt för energilagring med hög kapacitet, samt förkorta laddningstiderna. Det kommer att förlänga batteriets livslängd, vilket är negativt kopplat till mängden kol som är belagt på materialet eller tillsatt elektroder för att uppnå konduktivitet, och grafen tillför konduktivitet utan att kräva de mängder kol som används i konventionella batterier.
Grafen kan förbättra sådana batteriegenskaper som energitäthet och form på olika sätt. Li-ion-batterier (och andra typer av laddningsbara batterier) kan förbättras genom att introducera grafen till batteriets anod och dra nytta av materialets konduktivitet och stora ytareaegenskaper för att uppnå morfologisk optimering och prestanda.
Det har också upptäckts att skapa hybridmaterial också kan vara användbart för att uppnå batteriförbättring. En hybrid av vanadinoxid (VO2) och grafen, till exempel, kan användas på Li-ion katoder och ger snabb laddning och urladdning samt lång laddningscykel hållbarhet. I det här fallet, VO2 erbjuder hög energikapacitet men dålig elektrisk ledningsförmåga, vilket kan lösas genom att använda grafen som en sorts strukturell "ryggrad" för att fästa VO på2 – skapa ett hybridmaterial som har både ökad kapacitet och utmärkt ledningsförmåga.
Ett annat exempel är LFP-batterier (Lithium Iron Phosphate), det vill säga ett slags uppladdningsbart Li-ion-batteri. Den har en lägre energitäthet än andra Li-ion-batterier men en högre effekttäthet (en indikator på den hastighet med vilken energi kan tillföras av batteriet). Genom att förbättra LFP-katoder med grafen kunde batterierna vara lätta, ladda mycket snabbare än Li-ion-batterier och ha en större kapacitet än konventionella LFP-batterier.
Förutom att revolutionera batterimarknaden, kombinerad användning av grafenbatterier och grafen superkondensatorer skulle kunna ge fantastiska resultat, som det kända konceptet att förbättra elbilens räckvidd och effektivitet. Medan grafenbatterier ännu inte har nått utbredd kommersialisering, rapporteras batterigenombrott runt om i världen.
Grundläggande batteri
Batterier fungerar som en mobil strömkälla, vilket gör att eldrivna enheter kan fungera utan att vara direkt anslutna till ett uttag. Även om det finns många typer av batterier, förblir det grundläggande konceptet med vilket de fungerar lika: en eller flera elektrokemiska celler omvandlar lagrad kemisk energi till elektrisk energi. Ett batteri är vanligtvis tillverkat av ett metall- eller plasthölje, som innehåller en positiv pol (en anod), en negativ pol (en katod) och elektrolyter som gör att joner kan röra sig mellan dem. En separator (ett permeabelt polymermembran) skapar en barriär mellan anoden och katoden för att förhindra elektriska kortslutningar samtidigt som den tillåter transport av joniska laddningsbärare som behövs för att stänga kretsen under strömpassage. Slutligen används en kollektor för att leda laddningen utanför batteriet, genom den anslutna enheten.
När kretsen mellan de två terminalerna är klar producerar batteriet elektricitet genom en serie reaktioner. Anoden utsätts för en oxidationsreaktion där två eller flera joner från elektrolyten kombineras med anoden för att producera en förening som frigör elektroner. Samtidigt genomgår katoden en reduktionsreaktion där katodämnet, joner och fria elektroner kombineras till föreningar. Enkelt uttryckt producerar anodreaktionen elektroner medan reaktionen i katoden absorberar dem och från den processen produceras elektricitet. Batteriet kommer att fortsätta att producera elektricitet tills elektroderna tar slut på nödvändig substans för att skapa reaktioner.
Batterityper och egenskaper
Batterier är indelade i två huvudtyper: primära och sekundära. Primärbatterier (engångsbatterier) används en gång och görs oanvändbara eftersom elektrodmaterialen i dem förändras oåterkalleligt under laddning. Vanliga exempel är zink-kolbatteriet samt det alkaliska batteriet som används i leksaker, ficklampor och en mängd bärbara enheter. Sekundära batterier (uppladdningsbara), kan laddas ur och laddas flera gånger eftersom den ursprungliga sammansättningen av elektroderna kan återfå funktionalitet. Exempel inkluderar blybatterier som används i fordon och litiumjonbatterier som används för bärbar elektronik.
Batterier finns i olika former och storlekar för otaliga olika ändamål. Olika typer av batterier uppvisar olika fördelar och nackdelar. Nickel-kadmium (NiCd) batterier har relativt låg energitäthet och används där lång livslängd, hög urladdningshastighet och ekonomiskt pris är nyckeln. De finns bland annat i videokameror och elverktyg. NiCd-batterier innehåller giftiga metaller och är miljöovänliga. Nickel-metallhydridbatterier har en högre energitäthet än NiCd-batterier, men också en kortare livslängd. Tillämpningar inkluderar mobiltelefoner och bärbara datorer. Bly-syrabatterier är tunga och spelar en viktig roll i stora krafttillämpningar, där vikten inte är avgörande men det ekonomiska priset är det. De är vanliga i användningsområden som sjukhusutrustning och nödbelysning.
Lithium-Ion (Li-ion) batterier används där hög energi och minimal vikt är viktigt, men tekniken är ömtålig och en skyddskrets krävs för att garantera säkerheten. Tillämpningar inkluderar mobiltelefoner och olika typer av datorer. Lithium Ion Polymer (Li-ion polymer) batterier finns oftast i mobiltelefoner. De är lätta och har en smalare form än Li-ion-batterier. De är också vanligtvis säkrare och har längre liv. De verkar dock vara mindre vanliga eftersom Li-ion-batterier är billigare att tillverka och har högre energitäthet.
Batterier och superkondensatorer
Även om det finns vissa typer av batterier som kan lagra en stor mängd energi, är de mycket stora, tunga och avger energi långsamt. Kondensatorer, å andra sidan, kan laddas och laddas ur snabbt men håller mycket mindre energi än ett batteri. Användningen av grafen i detta område erbjuder dock spännande nya möjligheter för energilagring, med höga laddnings- och urladdningshastigheter och till och med ekonomisk överkomlighet. Grafen-förbättrad prestanda suddar därmed ut den konventionella skillnaden mellan superkondensatorer och batterier.
Grafenbatterier kombinerar fördelarna med både batterier och superkondensatorer
Grafenförbättrade batterier är nästan här
Grafenbaserade batterier har spännande potential och även om de ännu inte är helt kommersiellt tillgängliga ännu, är FoU intensiv och kommer förhoppningsvis att ge resultat i framtiden. Företag över hela världen (inklusive Samsung, Huawei och andra) utvecklar olika typer av grafenförbättrade batterier, av vilka några nu kommer in på marknaden. De huvudsakliga applikationerna finns i elfordon och mobila enheter.
Vissa batterier använder grafen på perifera sätt – inte i batterikemin. Till exempel 2016, Huawei presenterade ett nytt grafenförbättrat Li-Ion-batteri som använder grafen för att förbli funktionellt vid högre temperaturer (60° grader i motsats till den befintliga 50°-gränsen) och erbjuder en dubbel så lång drifttid. Grafen används i detta batteri för bättre värmeavledning – det minskar batteriets driftstemperatur med 5 grader.
Källa: Grafenbatterier: Introduktion och marknadsnyheter | Grafen-Info