(Phys.org) —Grafeen – 's werelds dunste materiaal geïsoleerd aan de Universiteit van Manchester – kan batterijen licht maken, duurzaam en geschikt voor hoge capaciteit energieopslag uit hernieuwbare opwekking.

Manchester is de thuisbasis van grafeen, aangezien de 'tweedimensionale' een-atoom-dikke koolstofallotroop hier voor het eerst werd geïsoleerd in 2004. De Universiteit van Manchester is een krachtpatser voor toegepast en fundamenteel grafeenonderzoek, met het National Graphene Institute voorop.

Grafeen belooft een revolutie in elektrische en chemische technologie. Het is een krachtige geleider, extreem lichtgewicht, chemisch inert en flexibel met een groot oppervlak. Het zou de perfecte kandidaat kunnen zijn voor energieopslag met hoge capaciteit.

Kort na de isolatie van grafeen, vroeg onderzoek toonde al aan dat lithiumbatterijen met grafeen in hun elektroden een grotere capaciteit en levensduur hadden dan standaardontwerpen.

Een nieuw project 'Electrochemical Energy Storage with Graphene-Enabled Materials' onderzoekt verschillende manieren om de grootte en het gewicht van batterijen te verminderen en hun levensduur te verlengen door grafeen als componentmateriaal toe te voegen.

"Maar voordat we de batterijen bouwen, moeten we weten hoe grafeen zal interageren met de chemische componenten - met name elektrolyten, ", zegt professor Andrew Forsyth van de School of Electronics and Electrical Engineering.

Zijn collega professor Robert Dryfe van de School of Chemistry voert experimenten uit om de chemische interacties tussen grafeen en lithiumionen te analyseren. Professor Dryfe onderzoekt ook hoe snel elektronen worden overgedragen over grafeen en de grootte van de capaciteit - de hoeveelheid elektrische energie die kan worden opgeslagen op grafeenoppervlakken.

De wetenschappers werken samen met een aantal commerciële partners, waaronder Rolls Royce, Sharp en Morgan geavanceerde materialen. Commercieel partnerschap is cruciaal voor de ontwikkeling van toekomstige toepassingen van grafeen. Graphene@Manchester werkt momenteel samen met meer dan 30 bedrijven van over de hele wereld aan onderzoeksprojecten en toepassingen.

Een ander aandachtspunt van het project zijn op grafeen gebaseerde supercondensatoren, die over het algemeen een hoog vermogen en een langere levensduur hebben dan batterijen, maar een lagere energieopslagcapaciteit. Hoe dan ook, ze zijn veelbelovend als aanvulling op batterijen als onderdeel van een geïntegreerde opslagoplossing.

Volgens professor Forsyth zou een combinatie van grafeenbatterijen en supercondensatoren de verkoop van elektrische auto's een serieuze impuls kunnen geven. Tegenwoordig rijden deze groene voertuigen op batterijen die 200 kg wegen - maar liefst drie passagiers. Door het gewicht van de batterijen te verminderen, zou grafeen de voertuigefficiëntie moeten verhogen en het rijbereik van elektrische auto's tot meer dan 100 km moeten vergroten - een beperking die momenteel de wijdverbreide opname ervan verhindert.

"Als we de afstanden die auto's kunnen afleggen tussen oplaadpunten kunnen vergroten, zullen we ze meteen populairder maken. Professor Forsyth stelt. "Maar hoe zullen de batterijen het hoofd bieden aan de echte belasting van autorijden? Elektrische auto's rijden - net als alle andere voertuigen - niet soepel. Dramatische pieken in de stroomvraag naarmate coureurs accelereren, zullen de batterij belasten en mogelijk de levensduur ervan beperken."

Om te testen of prototype grafeenbatterijen en supercondensatoren geschikt zijn, Professor Forsyth zal ze blootstellen aan stress uit de echte wereld die verschillende rijprofielen nabootst. "We kunnen de technologie zelfs testen voor het rijden in extreme weersomstandigheden, " voegde hij eraan toe. "Veel batterijen hebben moeite om te presteren in koude omstandigheden, maar onze weerkamer zal eventuele zwakheden aan het licht brengen."

Natuurlijk, op grafeen gebaseerde opslag is niet beperkt tot transport. Het zou een belangrijke rol kunnen spelen in de toekomst van het National Grid, aangezien Groot-Brittannië steeds afhankelijker wordt van hernieuwbare energie. "Als we afhankelijk zijn van zonne- en windenergie om energie te produceren, wat zal er gebeuren als wolken de zon blokkeren en de wind slechts een briesje is?", vraagt ​​professor Forsyth. "Als we elektrische opslag met hoge capaciteit kunnen ontwikkelen, exploitanten zullen elektriciteit kunnen opslaan voor tijden van lage opwekking."

Op de campus van Manchester wordt een batterij- en omvormersysteem op netschaal geïnstalleerd om grootschalige elektrische opslag te testen. Onderzoekers zullen het batterijsysteem gebruiken om methoden te ontwikkelen om de stroom van elektriciteit te beheersen en verschillen tussen stroomopwekking en lokale vraag te verzoenen.