Terwijl onze gadgets tegenwoordig steeds kleiner en krachtiger worden, de ontwikkeling van commerciële batterijen die zowel klein genoeg zijn als met voldoende capaciteit om aan hun energieverslindende vraag te voldoen, heeft geen gelijke tred gehouden.

De meeste mensen hebben wel eens gehoord van Lithium-ion (Li-ion) batterijen. Ze zitten in bijna alle mobiele elektronische apparaten – van je mobiele telefoon en laptop, tot back-up voedingen op jets en zelfs ruimtevaartuigen. Verrassend wel, ondanks deze enorme vraag, het fundamentele ontwerp van Li-ion-batterijen is de afgelopen jaren grotendeels gelijk gebleven.

De levensduur van de batterij is vaak de beperkende factor in veel bestaande en experimentele toepassingen. Het is essentieel voor de toekomst van technologieën zoals elektrische auto's, en voor energieopslag met hoge capaciteit voor hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie. In feite heeft de relatief langzame vooruitgang met de ontwikkeling van nieuwe batterijen ertoe geleid dat veel elektronicafabrikanten proberen de stroomvereisten van hun producten te verminderen of te behouden om een ​​evenwicht te vinden.

Wat niet wil zeggen dat er geen onderzoek is naar nieuwe technieken voor energieopslag. Verre van eigenlijk. De afgelopen decennia is er een explosie van onderzoek op dit gebied geweest. Niet verrassend, een groot deel hiervan draait om het verbeteren van Li-ion-batterijen. Het nieuwe "wondermateriaal" grafeen is ook gesuggereerd als een mogelijke sleutel tot de oplossing. Grafeen heeft een aantal interessante eigenschappen die ertoe hebben geleid dat onderzoekers hebben voorgesteld om componenten van Li-ion-batterijen aan te passen, of grafeen gebruiken als het energieopslagmedium in plaats van als veelbelovende oplossingen.

Voeg gewoon grafeen toe

Grafeen is ook gebruikt om elektronische apparaten te ontwikkelen met extreem lage stroomvereisten. Dit is (gedeeltelijk) mogelijk omdat puur grafeen de laagste soortelijke weerstand heeft van alle bekende materialen bij kamertemperatuur - apparaten gemaakt van puur grafeen kunnen elektriciteit efficiënter geleiden dan enig ander materiaal (bij kamertemperatuur). Als gevolg hiervan, er wordt weinig energie verspild.

Apparaten die met grafeen zijn gebouwd, zouden niet dezelfde verwarmingsproblemen ervaren als de huidige elektronica - ze zouden voor onbepaalde tijd kunnen werken met een zeer kleine temperatuurstijging. Warmte is slecht voor elektronica; het betekent dat er energie wordt verspild en het dient vaak om de efficiëntie van het apparaat verder te verminderen naarmate het warmer wordt. Zuiver grafeen elimineert dit soort energieverliezen vrijwel, waardoor apparaten die daaruit worden geproduceerd extreem energiezuinig zijn. Voor consumentenelektronica, dit zou kunnen betekenen aanzienlijk krachtigere apparaten met een enorm verbeterde levensduur van de batterij - een win-winscenario als er ooit een was.

Bovendien, studies geven aan dat het gebruik van grafeen om componenten van Li-ion-batterijen te vervangen of te verbeteren, de energiedichtheid en levensduur van de batterij aanzienlijk kan verbeteren. Een populaire techniek was om de anodes of kathoden in Li-ion-batterijen te maken van grafeen.

Je volgende batterij kan een supercondensator zijn

Een andere techniek is om grafeen zelf als energieopslagmedium te gebruiken. Dit is gebruikt om supercondensatoren te bouwen - misschien wel de sterkste toekomstige concurrent van Li-ion-batterijen in toepassingen die zeer snelle oplaadtijden vereisen, zoals bij elektrische auto's.

Dit is misschien wel hun kritieke kenmerk. Een supercondensator kan vele orden van grootte sneller van volledig ontladen naar volledig opgeladen gaan dan vergelijkbare Li-ion-accu's. In deze context, het is het grote oppervlak van grafeen dat belangrijk is, omdat de hoeveelheid lading die kan worden opgeslagen gerelateerd is aan het oppervlak van de materialen waaruit het is gemaakt. Dus weer, grafeen is ideaal.

Ondanks het potentieel van supercondensatoren om de alomtegenwoordige Li-ionbatterij uit te dagen, huidige supercondensatoren zijn altijd te groot en te duur om ze in dezelfde rollen te vervangen. Echter, prototypes geven aan dat supergeleiders in de niet al te verre toekomst kunnen voldoen aan de vereisten die nodig zijn om conventionele batterijen te vervangen.

uiteindelijk, de uitdaging bij elk van deze prototypes is het vermogen om de productie op te schalen om aan de eisen van de consumentenelektronica-industrie te voldoen. Op grafeen gebaseerde oplossingen zijn tot nu toe notoir moeilijk te produceren op grote schaal, mede dankzij de moeilijkheid om grafeen van hoge kwaliteit te isoleren. Hoe dan ook, de toekomst voor energieopslag en energiezuinige technologie ziet er rooskleurig uit. Of grafeen uiteindelijk een rol speelt in de revolutie of niet, het is duidelijk dat het onderzoek naar deze technologieën uiteindelijk zal leiden tot de introductie van goedkopere en duurzamere producten met een hogere capaciteit.

Het is geen understatement om te zeggen dat er een energierevolutie wacht als gevolg van de volgende generatie energieopslagapparaten, die kunnen helpen het tijdperk van volledig elektrische voertuigen in te luiden, grootschalige opwekking van hernieuwbare energie en het einde van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).