Grafeen, een vel van koolstofatomen die zijn verbonden in een honingraatpatroon, wordt 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. Bovendien wordt het beschouwd als milieuvriendelijk en duurzaam, met onbeperkte mogelijkheden voor tal van toepassingen.

Voordelen van Grafeen Batterijen

In het veld van batterijen worden conventionele batterij-elektrodenmaterialen (en potentiële materialen) aanzienlijk verbeterd wanneer ze worden versterkt met grafeen. Een grafeen batterij kan licht van gewicht zijn, duurzaam en geschikt zijn voor energieopslag met een hoge capaciteit, en ook oplaadtijden verkorten. Het zal de levensduur van de batterij verlengen, wat negatief is gekoppeld aan de hoeveelheid koolstof die wordt gecoat op het materiaal of toegevoegd aan elektroden om geleidbaarheid te bereiken, en grafeen voegt geleidbaarheid toe zonder de hoeveelheden koolstof die worden gebruikt in conventionele batterijen.

Grafeen en Batterijkenmerken

Grafeen kan batterijkeurmerken zoals energiedichtheid en vorm op verschillende manieren verbeteren. Li-ion batterijen (en andere soorten oplaadbare batterijen) kunnen worden verbeterd door grafeen in te voeren in de anode van de batterij en te profiteren van de geleidbaarheid en het grote oppervlakte-eigenschappen van het materiaal om morfologische optimalisatie en prestaties te bereiken.

Het is ook ontdekt dat het maken van hybride materialen ook nuttig kan zijn om batterijverbetering te bereiken. Een hybride van Vanadium Oxide (VO2) en grafeen kan bijvoorbeeld worden gebruikt op Li-ion kathodes en snelle lading en ontlading verlenen, evenals grote laadcyclische duurzaamheid. In dit geval biedt VO2 een hoge energiecapaciteit maar slechte elektrische geleidbaarheid, wat kan worden opgelost door grafeen te gebruiken als een soort structureel "ruggengraat" waarop VO2 wordt bevestigd - waardoor een hybride materiaal ontstaat dat zowel verhoogde capaciteit als uitstekende geleidbaarheid heeft.

Een ander voorbeeld zijn LFP (Lithium IJzer Fosfaat) batterijen, dat is een soort oplaadbare Li-ion batterij. Het 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). Het verbeteren van LFP-kathodes met grafeen maakte de batterijen lichtgewicht, laadt veel sneller op dan Li-ion batterijen en heeft een grotere capaciteit dan conventionele LFP-batterijen.

Naast het revolutioneren van de batterijmarkt, zou het gecombineerde gebruik van grafeen batterijen en grafeen supercondensatoren verbazingwekkende resultaten kunnen opleveren, zoals het genoteerde concept van het verbeteren van het rijbereik en de efficiëntie van elektrische auto's. Hoewel grafeen batterijen nog niet algemeen gecommercialiseerd zijn, worden batterijdoorbraken over de hele wereld gerapporteerd.

Batterijbasisprincipes

Batterijen dienen als een mobiele energiebron, waardoor elektriciteitswerkende apparaten kunnen werken zonder direct op een stopcontact te worden aangesloten. Hoewel er veel soorten batterijen zijn, blijft het basisconcept waarop ze functioneren 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 terminal (een anode), een negatieve terminal (een kathode) en elektrolyten die ionen tussen hen laten bewegen. Een separator (een permeabel polymeermembraan) creëert een barrière tussen de anode en kathode om elektrische kortsluitingen te voorkomen en tegelijkertijd het transport van ionische ladingdragers toe te staan die nodig zijn om de stroomkring te sluiten tijdens de passage van stroom. Ten slotte wordt een collector gebruikt om de lading buiten de batterij te geleiden, via het aangesloten apparaat.

Wanneer de stroomkring tussen de twee terminals is voltooid, produceert de batterij elektriciteit door een reeks reacties. De anode ondergaat een oxidatiereactie waarbij twee of meer ionen uit de elektrolyt combineren met de anode om een ​​ verbinding te produceren, waarbij elektronen vrijkomen. Tegelijkertijd ondergaat de kathode een reductiereactie waarbij de kathodesubstantie, ionen en vrije elektronen samenkomen tot verbindingen. Eenvoudig gezegd, de anodereactie produceert elektronen terwijl de reactie in de kathode ze opneemt en uit dat proces wordt elektriciteit geproduceerd. De batterij zal elektriciteit blijven produceren totdat de elektroden niet langer over de benodigde stof beschikken voor de creatie van reacties.

Batterijtypen en kenmerken

Batterijen zijn verdeeld in twee hoofdtypen: primair en secundair. Primaire batterijen (wegwerpbaar) worden eenmaal gebruikt en worden nutteloos gemaakt omdat de elektrode-materialen erin onomkeerbaar veranderen tijdens het opladen. Veelvoorkomende voorbeelden zijn de zink-koolstof batterij en de alkaline batterij die wordt gebruikt in speelgoed, zaklampen en een veelvoud aan draagbare apparaten. Secundaire batterijen (oplaadbaar) kunnen meerdere keren worden ontladen en opgeladen omdat de oorspronkelijke samenstelling van de elektroden in staat is om functionaliteit terug te krijgen. Voorbeelden zijn lood-zuur batterijen die worden gebruikt in voertuigen en lithium-ion batterijen die worden gebruikt voor draagbare elektronica.

Batterijen zijn er in verschillende vormen en maten voor talloze verschillende doeleinden. Verschillende soorten batterijen vertonen verschillende voordelen en nadelen. Nikkel-cadmium (NiCd) batterijen hebben een relatief lage energiedichtheid en worden gebruikt waar een lange levensduur, een hoog ontlaadtarief en een economische prijs van cruciaal belang zijn. Ze kunnen worden gevonden in videocamera's en elektrisch gereedschap, onder andere toepassingen. NiCd-batterijen bevatten giftige metalen en zijn milieuonvriendelijk. Nikkel-metaalhydride batterijen hebben een hogere energiedichtheid dan NiCd-batterijen, maar ook een kortere levenscyclus. Toepassingen zijn onder meer mobiele telefoons en laptops. Lood-zuur batterijen zijn zwaar en spelen een belangrijke rol in grote krachttoepassingen, waar gewicht niet van essentieel belang is maar de economische prijs wel. Ze zijn gebruikelijk in toepassingen zoals ziekenhuisapparatuur en noodverlichting.

Lithium-ion (Li-ion) batterijen worden gebruikt waar een hoge energie en minimaal gewicht belangrijk zijn, maar de technologie is kwetsbaar en een beschermingscircuit is nodig om veiligheid te garanderen. Toepassingen zijn onder meer mobiele telefoons en verschillende soorten computers. Lithium-ion polymeer (Li-ion polymeer) batterijen worden meestal aangetroffen in mobiele telefoons. Ze zijn lichtgewicht en hebben een slankere vorm dan die van Li-ion batterijen. Ze zijn ook meestal veiliger en gaan langer mee. Ze lijken echter minder gebruikelijk te zijn omdat Li-ion batterijen goedkoper zijn om te produceren en een hogere energiedichtheid hebben.

Batterijen en supercondensatoren

Hoewel er bepaalde soorten batterijen zijn die een grote hoeveelheid energie kunnen opslaan, zijn ze zeer groot, zwaar en geven ze langzaam energie af. Condensatoren daarentegen kunnen snel worden opgeladen en ontladen, maar bevatten veel minder energie dan een batterij. Het gebruik van grafeen op dit gebied biedt echter spannende nieuwe mogelijkheden voor energieopslag, met hoge laad- en ontlaadsnelheden en zelfs economische betaalbaarheid. Grafisch verbeterde prestaties vagen daardoor de conventionele lijn van onderscheid tussen supercondensatoren en batterijen weg.

Bijna Hier: Grafeen-Verbeterde Batterijen

Grafeen-gebaseerde batterijen hebben spannend potentieel en hoewel ze nog niet volledig commercieel beschikbaar zijn, is R&D intensief en zal hopelijk in de toekomst resultaten opleveren. Bedrijven over de hele wereld (inclusief Samsung, Huawei en anderen) ontwikkelen verschillende soorten grafeen-verbeterde batterijen, waarvan sommige nu de markt betreden. De belangrijkste toepassingen bevinden zich in elektrische voertuigen en mobiele apparaten.

Sommige batterijen gebruiken grafeen op perifere manieren - niet in de batterijchemie. Bijvoorbeeld in 2016 onthulde Huawei een nieuwe grafeen-versterkte Li-Ion batterij die grafeen gebruikt om functioneel te blijven bij hogere temperaturen (60 graden in plaats van de bestaande 50-gradenlimiet) en een dubbele bedrijfstijd te bieden. Grafiet wordt in deze batterij gebruikt voor een betere warmteafvoer - het verlaagt de bedrijfstemperatuur van de batterij met 5 graden.