Grafeen, een vel koolstofatomen die in een honingraatroosterpatroon aan elkaar zijn gebonden, wordt enorm erkend als een "wondermateriaal" vanwege de talloze verbazingwekkende eigenschappen die het bezit. Het is een krachtige geleider van elektrische en thermische energie, extreem lichtgewicht, chemisch inert en flexibel met een groot oppervlak. Het wordt ook beschouwd als milieuvriendelijk en duurzaam, met onbeperkte mogelijkheden voor talloze toepassingen.
De voordelen van grafeenbatterijen
Op het gebied van batterijen worden conventionele batterij-elektrodematerialen (en toekomstige) aanzienlijk verbeterd wanneer ze worden verbeterd met grafeen. Een grafeenbatterij kan licht, duurzaam en geschikt zijn voor energieopslag met een hoge capaciteit, en ook de oplaadtijden verkorten. Het zal de levensduur van de batterij verlengen, wat negatief is gekoppeld aan de hoeveelheid koolstof die op het materiaal is gecoat of aan elektroden is toegevoegd om geleidbaarheid te bereiken, en grafeen voegt geleidbaarheid toe zonder de hoeveelheden koolstof te vereisen die in conventionele batterijen worden gebruikt.
Grafeen kan batterijkenmerken zoals energiedichtheid en vorm op verschillende manieren verbeteren. Li-ionbatterijen (en andere soorten oplaadbare batterijen) kunnen worden verbeterd door grafeen aan de anode van de batterij toe te voegen en te profiteren van de geleidbaarheid en grote oppervlakte-eigenschappen van het materiaal om morfologische optimalisatie en prestaties te bereiken.
Er is ook ontdekt dat het creëren van hybride materialen ook nuttig kan zijn voor het bereiken van batterijverbetering. Een hybride van Vanadium Oxide (VO2) en grafeen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt op Li-ion-kathodes en zorgen voor snelle lading en ontlading en een lange laadcyclusduurzaamheid. In dit geval is VO2 biedt een hoge energie-capaciteit maar een slechte elektrische geleiding, wat opgelost kan worden door grafeen te gebruiken als een soort structurele “ruggengraat” waaraan VO kan worden bevestigd2 – waardoor een hybride materiaal ontstaat dat zowel een verhoogde capaciteit als een uitstekende geleiding heeft.
Een ander voorbeeld zijn LFP (Lithium Iron Phosphate) batterijen, een soort oplaadbare Li-ion batterij. Deze heeft een lagere energiedichtheid dan andere Li-ion batterijen, maar een hogere vermogensdichtheid (een indicator van de snelheid waarmee energie door de batterij kan worden geleverd). Door LFP kathoden te verbeteren met grafeen konden de batterijen licht van gewicht zijn, veel sneller opladen dan Li-ion batterijen en een grotere capaciteit hebben dan conventionele LFP batterijen.
Naast het revolutioneren van de batterijmarkt, is het gecombineerde gebruik van grafeenbatterijen en grafeen supercondensatoren zou verbazingwekkende resultaten kunnen opleveren, zoals het genoemde concept om het bereik en de efficiëntie van elektrische auto's te verbeteren. Hoewel grafeenbatterijen nog niet wijdverspreid op de markt zijn, worden er wereldwijd doorbraken in batterijen gemeld.
Batterijen dienen als een mobiele energiebron, waardoor apparaten die op elektriciteit werken kunnen werken zonder dat ze rechtstreeks in een stopcontact hoeven te worden gestoken. Hoewel er veel soorten batterijen bestaan, blijft het basisconcept waarmee ze werken vergelijkbaar: een of meer elektrochemische cellen zetten opgeslagen chemische energie om in elektrische energie. Een batterij bestaat meestal uit een metalen of plastic behuizing, met een positieve aansluiting (een anode), een negatieve aansluiting (een kathode) en elektrolyten waardoor ionen ertussen kunnen bewegen. Een separator (een permeabel polymeermembraan) creëert een barrière tussen de anode en de kathode om elektrische kortsluitingen te voorkomen en tegelijkertijd het transport van ionische ladingdragers mogelijk te maken die nodig zijn om het circuit te sluiten tijdens de doorgang van stroom. Tot slot wordt een collector gebruikt om de lading buiten de batterij te geleiden, door het aangesloten apparaat.
Wanneer het circuit tussen de twee terminals voltooid is, produceert de batterij elektriciteit via een reeks reacties. De anode ondergaat een oxidatiereactie waarin twee of meer ionen uit de elektrolyt zich combineren met de anode om een verbinding te produceren, waarbij elektronen vrijkomen. Tegelijkertijd ondergaat de kathode een reductiereactie waarin de kathodesubstantie, ionen en vrije elektronen zich combineren tot verbindingen. Simpel gezegd, de anodereactie produceert elektronen terwijl de reactie in de kathode ze absorbeert en uit dat proces wordt elektriciteit geproduceerd. De batterij zal elektriciteit blijven produceren totdat de elektroden geen noodzakelijke substantie meer hebben voor het creëren van reacties.
Batterijen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: primair en secundair. Primaire batterijen (wegwerpbatterijen) worden eenmalig gebruikt en zijn daarna onbruikbaar omdat de elektrodematerialen erin onomkeerbaar veranderen tijdens het opladen. Veelvoorkomende voorbeelden zijn de zink-koolstofbatterij en de alkalinebatterij die wordt gebruikt in speelgoed, zaklampen en een groot aantal draagbare apparaten. Secundaire batterijen (oplaadbaar) kunnen meerdere keren worden ontladen en opgeladen omdat de oorspronkelijke samenstelling van de elektroden weer functioneel kan worden. Voorbeelden zijn loodzuurbatterijen die worden gebruikt in voertuigen en lithium-ionbatterijen die worden gebruikt voor draagbare elektronica.
Batterijen zijn er in verschillende vormen en maten voor talloze verschillende doeleinden. Verschillende soorten batterijen hebben verschillende voor- en nadelen. Nikkel-cadmium (NiCd) batterijen hebben een relatief lage energiedichtheid en worden gebruikt waar een lange levensduur, hoge ontladingssnelheid en een voordelige prijs van belang zijn. Ze zijn onder andere te vinden in videocamera's en elektrisch gereedschap. NiCd batterijen bevatten giftige metalen en zijn milieuonvriendelijk. Nikkel-metaalhydride batterijen hebben een hogere energiedichtheid dan NiCd batterijen, maar ook een kortere cycluslevensduur. Toepassingen zijn onder andere mobiele telefoons en laptops. Loodzuurbatterijen zijn zwaar en spelen een belangrijke rol in grote stroomtoepassingen, waar gewicht niet van belang is, maar wel de voordelige prijs. Ze worden veel gebruikt in toepassingen zoals ziekenhuisapparatuur en noodverlichting.
Lithium-ion (Li-ion) batterijen worden gebruikt waar hoge energie en minimaal gewicht belangrijk zijn, maar de technologie is kwetsbaar en een beschermingscircuit is vereist om de veiligheid te garanderen. Toepassingen zijn onder andere mobiele telefoons en verschillende soorten computers. Lithium-ion polymeer (Li-ion polymeer) batterijen worden vooral aangetroffen in mobiele telefoons. Ze zijn licht van gewicht en hebben een slankere vorm dan die van Li-ion batterijen. Ze zijn ook meestal veiliger en gaan langer mee. Ze lijken echter minder gangbaar te zijn omdat Li-ion batterijen goedkoper te produceren zijn en een hogere energiedichtheid hebben.
Hoewel er bepaalde soorten batterijen zijn die een grote hoeveelheid energie kunnen opslaan, zijn ze erg groot, zwaar en geven ze energie langzaam af. Condensatoren daarentegen kunnen snel opladen en ontladen, maar houden veel minder energie vast dan een batterij. Het gebruik van grafeen op dit gebied biedt echter opwindende nieuwe mogelijkheden voor energieopslag, met hoge laad- en ontlaadsnelheden en zelfs economische betaalbaarheid. Door grafeen verbeterde prestaties vervagen daardoor de conventionele scheidslijn tussen supercondensatoren en batterijen.
Grafeenbatterijen combineren de voordelen van zowel batterijen als supercondensatoren
Batterijen op basis van grafeen hebben een spannend potentieel en hoewel ze nog niet volledig commercieel beschikbaar zijn, is R&D intensief en zal het hopelijk in de toekomst resultaten opleveren. Bedrijven over de hele wereld (waaronder Samsung, Huawei en anderen) ontwikkelen verschillende soorten met grafeen versterkte batterijen, waarvan sommige nu op de markt komen. De belangrijkste toepassingen zijn elektrische voertuigen en mobiele apparaten.
Sommige batterijen gebruiken grafeen op perifere manieren – niet in de batterijchemie. Bijvoorbeeld in 2016, Huawei heeft een nieuwe Li-Ion-batterij met grafeen-versterking onthuld die grafeen gebruikt om functioneel te blijven bij hogere temperaturen (60° graden in plaats van de bestaande 50° limiet) en een dubbele werktijd biedt. Grafeen wordt in deze batterij gebruikt voor betere warmteafvoer – het verlaagt de bedrijfstemperatuur van de batterij met 5 graden.
Bron: Grafeenbatterijen: introductie en marktnieuws | Grafeen-Info
Sinds 1992 verenigt Applied Physics Corporation is een toonaangevende wereldwijde leverancier van nauwkeurige normen voor contaminatiebeheersing en metrologie. Wij zijn gespecialiseerd in luchtstroomvisualisatie, deeltjesgroottenormen en oplossingen voor cleanroomdecontaminatie in kritische omgevingen.
