R&D magazine
Avtorica: Laura Panjwani
2020_281_07
Raziskovalci že dolgo raziskujejo možnosti uporabe silicija v litij-ionskih baterijah, saj lahko v primerjavi z grafitom, materialom, ki se uporablja v večini današnjih litij-ionskih baterij, močno poveča njihovo kapaciteto.
Po nekaterih ocenah bi s silicijem lahko izboljšali zmogljivost shranjevanja energije v litij-ionskih celicah na 4.200 mAh/g, kar bi bilo 11-krat več, kot je zdaj mogoče doseči z grafitom. Kljub takšnim prednostim pa silicij prinaša tudi svojstvene izzive.
“Ko v svoj kos silicija shranite veliko litijevega iona, s tem dejansko povečate prostornino silicija na približno 3 do 3,8-kratnik njegove prvotne prostornine – kar je ogromno povečanje,” je v ekskluzivnem intervjuju za revijo R&D Magazine povedal Bor Jang. “To samo po sebi ni velik problem, toda ko izpraznite baterijo, se silicij skrči. Ko naslednjič spet napolnimo bateriji, se silicij spet razširi. Ravno to večkratno širjenje in krčenje vpliva na razpad delcev v vaši bateriji, tako da ta izgubi svojo zmogljivost shranjevanja energije.”
Jang ponuja eno izmed možnih rešitev – grafen, enoslojno plast ogljikovih atomov, tesno povezanih v šesterokotni rešetki, ki ima obliko satja.
“Ugotovili smo, da ima grafen ključno vlogo pri zaščiti silicija,” je dejal Jang, izvršni direktor in glavni znanstvenik Global Graphene Group. Organizacija za napredne materiale s sedežem v Ohiu je ustvarila GCA-II-N, grafensko in silikonsko kompozitno anodo za uporabo v litij-ionskih baterijah.
Ta inovacija »ki je bila leta 2018 dobitnica nagrade R&D 100« lahko pomembno vpliva na prostor za shranjevanje energije. Jang je v intervjuju za revijo R&D povedal več o grafenu, GCA-II-N in njegovih potencialnih aplikacijah.
Revija R&D: Kaj je tisto, kar grafen uvršča med dobre materiale za shranjevanje energije?
Jang: Že od leta 2002, ko smo izumili grafen, smo ugotovili, da ima grafen zelo edinstvene lastnosti. Ima na primer, zelo visoko električno prevodnost, zelo visoko toplotno prevodnost, zelo visoko trdnost – v resnici je to najmočnejši material, ki ga človeštvo pozna v naravi. Mislili smo, da bomo lahko uporabili grafen za proizvodnjo anodnega materiala, saj lahko bistveno izboljšamo ne le trdnosti same elektrode, temveč tudi hitreje odvajamo toploto, hkrati pa zmanjšujemo spremembe na bateriji s čimer preprečujemo nevarnost vžiga ali eksplozije.
Tudi grafen je izredno tanek – debelina enoslojnega grafen je 0,34 nanometra (nm). Lahko si predstavljate, da če bi imeli tkanino, ki je bila debela kot 0,34 nanometra, potem bi ta material lahko uporabili za ovijanje česarkoli. V tem smislu gre torej za zelo dober zaščitni material. To je še en razlog za prožnost tega grafenskega materiala.
Druga zanimiva lastnost grafena je, da ima zelo visoko specifično površino. Če bi vam na primer dal 1,5 grama enoplastnega grafena, bi bilo to dovolj za prekritje celotnega nogometnega stadiona. Ta material ima torej ogromno površino na enoto teže.
Ta lastnost pa nas pripelje še na eno zanimivo področje shranjevanja energije, kjer se nahajajo elektronske komponente, imenovane superkondenzatorji ali ultrakondenzatorji. Delovanje superkondenzatorjev je odvisno od površin prevodnih plošč, ki sta na primer lahko grafen ali aktivno oglje. Taki listi plošč, izdelani iz grafena imajo površino natančno 2630 kvadratnih metrov na gram. Načeloma bi to prineslo zelo veliko zmogljivost shranjevanja energije na gram tega materiala, če bi ga uporabili kot material za izdelavo superkondenzatorjev. Toliko odličnih lastnosti je povezanih z grafenom za uporabo pri shranjevanju energije, da bi o tem bi lahko govorili ves dan!
Revija R&D: Kje je trenutno ekipa z GCA-II-N in kateri so naslednji koraki za ta projekt?
Jang: Lani smo izdelek začeli prodajati. V Daytonu, Ohio, kjer trenutno se nahajamo, imamo manjši proizvodni obrat. Zdaj gre za objekt zmogljivosti 50-metričnih ton, ki jih lahko zlahka povečamo. Izdelamo lahko material z ogromno različnimi lastnostmi in jih nato dostavimo nekaterim potencialnim strankam v potrditev. Trenutno smo v fazi, ko jih stranke preverjajo in potrjujejo.
V zvezi s tem projektom bomo seveda raziskave in razvoj nadaljevali. Na koncu bomo celotne baterije izdelovali tukaj v ZDA, vendar se trenutno ukvarjamo samo z anodnimi materiali.
Revija R&D: Katere vrste kupcev se zanimajo za to tehnologijo?
Jang: Električna vozila so prvo veliko področje, ki beleži hitro rast, zlasti na območju Azije, recimo na Kitajskem. Industrija električnih vozil ima vodilno vlogo in v tem trenutku beleži rast po vsem svetu. E-kolesa in elektronski skuterji so še eno hitro rastoče tržišče, kjer bi prednosti te tehnologije lahko uporabili.
Drug primer je vaš pametni telefon. Če boste telefon veliko uporabljali, bo morda zdržal pol dneva ali morda cel dan, če ga izpraznite čisto do konca. Ta tehnologija bi lahko vsaj podvojila količino energije, ki jo lahko shranimo v njegovo baterijo. Elektronske naprave so zato še eno izmed velikih področij za uporabo te tehnologije.
Tretje področje je uporaba za shranjevanje energije, saj je ta material mogoče uporabiti pri shranjevanju sončne energije iz solarnih celic ali vetrne energije iz generatorjev vetrnic. Litij-ionske baterije zdaj na tem trgu dobivajo vse večjo prednost.
Trenutno imamo še eno bliskovito rastoče področje in sicer brezpilotna letala, oziroma droni, kot jih največkrat imenujemo. Droni se namreč ne uporabljajo le za zabavo, ampak tudi za kmetijske namene ali za nadzor, na primer med naravnimi nesrečami. Z droni bo v prihodnosti obstajalo ogromno število aplikacij, baterije pa so, kot vemo, eden od njegovih najpomembnejših sestavnih delov.
Revija R&D: Ali obstajajo v zvezi z grafenom tudi kakšni izzivi?
Jang: Največji izziv je njegova cena, saj je grafen sam po sebi še vedno razmeroma drag. Trenutno za grafen izvajamo procese druge generacije in mislim, da bi moral v nekaj letih postati bistveno cenejši. Istočasno delamo na tretji generaciji procesov, ki bi nam omogočili še bolj znižati stroške proizvodnje. To je zelo velika ovira za vsesplošno komercializacijo vseh aplikacij z grafenom.
Drugi izziv je pojem grafena kot tako imenovanega „nanomateriala“, saj ga pri takšni debelini večina strank težko meša z vodo, organskimi topili ali plastiki, s čimer bi grafen lahko kot eno izmed sestavin kombinirali z drugimi vrstami materialov. Zato se nekateri izogibajo njegovi uporabi. Našli smo način, kako premagati ta, bodisi pravi, bodisi navidezni izziv. To lahko lahko namesto stranke naredimo tudi pri nas in ji nato dostavimo že pripravljen material.
Obstaja tudi izziv glede izobraževanja. Včasih je težko prepričati inženirje, ki se oklepajo materialov, ki jih bolj poznajo, čeprav ima grafen bistveno boljše lastnosti in zmogljivosti. Tudi to je ena izmed ovir, vendar mislim, da postaja vse bolj znan.
