Bateria grafenowa i dlaczego nie możemy się jej doczekać

Grafen to jedna z najbardziej przyszłościowych i pobudzających wyobraźnię nowinek technologicznych ostatnich lat. Setki zastosowań i branż, które go chcą wykorzystać i setki milionów dolarów wartości rynkowej. To wszystko świadczy o niebywałym potencjale tego materiału. Jak przydatny może okazać się on dla Świata Baterii i kiedy pojawi się u nas bateria grafenowa?

Czym właściwie jest grafen?

Grafen to materiał składający się z atomów węgla połączonych w siatkę heksagonalną, czyli wyglądem przypomina znany nam dobrze plaster miodu (oczywiście w mikroskali). Nazywa się go materiałem dwuwymiarowym, ponieważ ze względu na swoją strukturę, ma on grubość wyłącznie jednego atomu.

Koncepcja grafenu jest znana już od wielu dekad, lecz początkowo uznawany był za niemożliwy do uzyskania. Badania nad nim rozpoczęły się krótko po II Wojnie Światowej. Natomiast aż do 2004 roku nie udało się uzyskać jego prawdziwej formy o grubości 1 atomu. Od tego czasu w wielu laboratoriach na całym świecie niezależnie opracowywane są coraz to nowe metody produkcji i sposoby wykorzystania tego wyjątkowego materiału. Badania nad produkcją grafenu i jego wykorzystaniem przebiegają na wielu polach i w niemal każdej branży od medycyny, przez elektronikę, aż po ochronę środowiska. Zaangażowanie tak wielu podmiotów gwarantuje szybki rozwój i z całą pewnością pomoże nam znacznie bardziej zrozumieć grafen i w pełni wykorzystać jego ogromny potencjał. 

Właściwości grafenu

Określa się go jako 200 razy bardziej wytrzymały niż najmocniejsza stal i jest przy tym wyjątkowo lekki w stosunku do wytrzymałości. Aż trudno uwierzyć, ale grafenowy hamak mógłby utrzymać 4-kilogramowego kota, a ważyłby przy tym zaledwie tyle, co jeden koci wąs (ok. 0.77mg).

Poza tym, grafen jest doskonałym przewodnikiem ciepła, co możecie w ciekawy sposób zaobserwować na poniższym filmiku:

Kolejną właściwością jest doskonałe przewodnictwo elektryczne i ta właśnie cecha nas najbardziej interesuje.

Czym więc jest bateria grafenowa?

Jak pokazały badania, grafen sam w sobie nie może być głównym materiałem ogniwa, lecz doskonale sprawdza się na przykład jako usprawnienie znanych nam już ogniw litowo-jonowych. Struktura baterii grafenowej jest podobna do tej stosowanej w tradycyjnych bateriach. Główna zmiana wynika z dodania grafenu do kompozytu litowo-jonowego, co diametralnie poprawia szereg jego właściwości.

Grafen to jednak bardzo wszechstronny materiał i może on wspierać działanie ogniwa na kilka różnych sposobów. Może być użyty jako integralna część kompozytu, lub jako materiał pomocniczy. Użyty jako część kompozytu jest on używany jako wsparcie samego procesu ładowania. Wysokie przewodnictwo i stabilna, uporządkowana struktura zapewniają bardzo dużą poprawę skuteczności i szybkości ładowania.
Użyty jako materiał pomocniczy budowy baterii, grafen znacznie zmniejsza straty wynikające ze zużycia materiałów metalu przewodnika. Znacznie poprawia to skuteczność i wytrzymałość baterii. Bateria litowo-jonowa z usprawnieniami grafenowymi może uzyskać wytrzymałość na poziomie nawet 3000 pełnych cykli.
Dodatkowym atutem baterii grafenowych jest zwiększenie limitu temperatury w której mogą one bezpiecznie pracować. W listopadzie zeszłego roku firma Huawei ogłosiła stworzenie baterii litowo-jonowej wzbogaconej grafenem. Jej bezpieczna temperatura pracy zwiększona została do aż 60 stopni Celsjusza (poprzednio było to maksymalnie 50). Temperatura operacyjna natomiast została zmniejszona o 5 stopni. 

Na podobnej zasadzie prowadzone są także badania nad m.in. bateriami grafenowo-polimerowymi, grafenowo-litowo-siarkowymi oraz grafenowymi superkondensatorami.

Przyszłość baterii grafenowej

Na powszechne wykorzystanie grafenu w bateriach smartfonów, laptopów, czy nawet samochodów najpewniej jeszcze trochę poczekamy. Wszystko jednak wskazuje na to, że sama technologia jest już niemal na wyciągnięcie ręki. Oczekujemy ze zniecierpliwieniem na dalszy rozwój wydarzeń, a kto wie, może i my sami zrobimy wam w niedalekiej przyszłości grafenową niespodziankę?