Co jsou to grafenové baterie?

Technologie používané k výrobě baterií moderních smartphonů jsou již docela dobré. Ale jedné věci, které fanoušci gadgetů nemají nikdy dost, je výdrž baterie. Nebylo by skvělé, kdyby naše telefony vydržely dva nebo tři celé dny intenzivního používání na jedno nabití? Co takhle celý týden? S grafenovými bateriemi to nemusí být takový dýmkový sen.

Grafenové baterie zatím nefungují na chytrých telefonech a jiných gadgetech, ale tato technologie se vyvíjí. V budoucnu se mohou grafenové baterie stát náhradou za lithium-iontové baterie, na kterých se v posledních desetiletích stal tak závislý celý high-tech průmysl.

Navzdory tomu, že jsme stále daleko od komerčního využití grafenových technologií, včetně baterií, by tato myšlenka neměla být podceňována – v příštích letech by se mohla stát realitou.

Co je to grafenová baterie?

Než se ponoříme do problematiky grafenových baterií, měli bychom si připomenout, co grafen je a čeho všeho je tento materiál schopen.

Stručně řečeno, grafen je soubor uhlíkových atomů pevně spojených do šestiúhelníkové nebo voštinové struktury. Grafen je tak jedinečný, že jeho struktura je silná pouze jedna atomová vrstva. Je tedy dvourozměrný. Tato dvourozměrná struktura má velmi zajímavé vlastnosti, včetně vynikající elektrické a tepelné vodivosti, vysoké pružnosti, zvýšené pevnosti a nízké hmotnosti. Zajímavá je především elektrická a tepelná vodivost, která je dokonce lepší než měď – nejvodivější ze všech kovů.

Pokud jde o baterie, schopnosti grafenu lze využít různými způsoby. Jeho ideální aplikací jako baterie je tzv. superkondenzátor. Superkondenzátory uchovávají proud stejně jako běžná baterie, ale dokážou se neuvěřitelně rychle nabíjet a vybíjet.

Nevyřešeným problémem grafenu je, jak hospodárně a hromadně vyrábět jeho ultratenké listy pro použití v bateriích a dalších technologiích. Výrobní náklady jsou v současnosti neúměrné, ale další výzkum pomůže k tomu, aby se grafenové baterie staly realitou.

V roce 2017 Samsung oznámil průlom v této oblasti s vývojem „grafenových korálků“. Nedávno se ukázalo, že Tesla má zájem také o technologii autobaterií využívající grafen.

Grafen vs Li-ion

Podobně jako lithium-iontové (Li-ion) baterie využívají grafenové články dvě vodivé desky potažené porézním materiálem a ponořené do roztoku elektrolytu. Ale i když je jejich vnitřní struktura velmi podobná, mají obě baterie odlišné vlastnosti.

Grafen nabízí vyšší elektrickou vodivost než lithium-iontové baterie. To umožňuje rychlejší nabíjení článků, které mohou také produkovat velmi vysoké proudy. To se hodí zejména například u autobaterií nebo rychlonabíjení zařízení. Vysoká tepelná vodivost také znamená, že se baterie nepřehřívají, čímž se prodlužuje jejich životnost i v tenkých pouzdrech na smartphony.

Grafenové baterie jsou také lehčí a tenčí než současné lithium-iontové články. To znamená menší, tenčí zařízení nebo baterie s vyšší kapacitou, které nevyžadují další prostor. Grafen také umožňuje dosáhnout mnohem vyšší kapacity baterie. Lithium-iontová baterie uchovává až 180 Wh energie na kilogram a grafen – až 1000 Wh na kilogram.

A konečně, grafen je bezpečnější. Přestože lithium-iontové baterie mají velmi dobrou bezpečnost, došlo k několika závažným incidentům, které se týkaly selhání baterií. Přehřátí, přebití a proražení může způsobit chemickou nerovnováhu v lithium-iontových bateriích, což může vést k požáru. Grafen je mnohem stabilnější, pružnější a pevnější a také odolnější vůči těmto typům problémů.

Nyní lithium-iontové baterie již mohou používat grafen ke zlepšení vlastností katodového vodiče. Tyto jsou známé jako hybridní baterie, které nabízejí nižší hmotnost, rychlejší dobu nabíjení, vyšší kapacitu a delší životnost než moderní baterie. První spotřebitelské grafenové baterie budou pravděpodobně hybridní baterie.

Co to znamená pro smartphony?

Budoucí smartphony s grafenovými bateriemi by demonstrovaly všechny výše uvedené výhody. Budou se nabíjet ještě rychleji, výdrž baterie vydrží den nebo dva, ne-li déle, a samotná zařízení budou tenčí a lehčí.

Přechod na grafen by mohl nabídnout o 60 % větší kapacitu ve srovnání s lithium-iontovou baterií stejné velikosti. V kombinaci se zlepšeným odvodem tepla se tím prodlouží životnost zařízení. Po několika letech nebudete muset platit za drahé výměny baterie, aby vaše zařízení fungovala.

Grafenové baterie by umožnily smartphonům ztenčit nebo poskytnout větší kapacitu baterie při zachování jejich současných proporcí – ale nejen to. Nového vývoje by se dočkaly také technologie rychlého nabíjení mezi zařízeními. S bateriemi, které zvládají velmi vysoké proudy a rychle se nabíjejí, by se gadgety mohly navzájem nabíjet supervysokými rychlostmi.

Přestože technologie grafenových baterií je ještě několik let daleko od výzkumu a vývoje, je to vynikající vyhlídka pro budoucí smartphony, gadgety, elektrická vozidla a další zařízení.

Pojďme zjistit, kde jsou dlouho slibované revoluční grafenové baterie a proč stále používáme baterie na bázi lithia.

S každou novou generací iPhonu vidíme vylepšení procesorů, paměti, displejů, fotoaparátů a téměř každé další součásti. Proč nevidíme žádná významná zlepšení u baterií? Ve srovnání s tím, jak rychle se vyvíjejí všechny ostatní součásti smartphonu, se zdá, že baterie stojí na místě.

Pojďme nejprve zjistit, co je špatného na stávajících lithium-iontových bateriích a zjistit, jaké jsou jejich hlavní nevýhody.

Nevýhody Li-ion baterií

křehkost

Myslím, že každý z vás si všiml, že po roce používání smartphonu baterie ztrácí kapacitu o 10–15 %. 800–1000 cyklů je limit pro většinu baterií v chytrých telefonech za tímto limitem, používání gadgetu se stává nepraktickým.

Citlivost na teplotu

Většina lithiových baterií špatně snáší změny teploty. Provoz při příliš nízkých nebo příliš vysokých teplotách povede k degradaci baterie. Vzpomeňte si, jak se iPhone vypínal v extrémních mrazech. V chladném počasí chemické složky ztrácejí své vlastnosti a nemohou produkovat dostatečné napětí – v důsledku toho se telefon vypne. K maximálnímu poškození baterie dochází při nabíjení za studena.

Vysoké teploty mají také negativní dopad na součásti baterie. Není nutné používat telefon v sauně nebo v horkých zemích. Naše zařízení se velmi zahřívají, když je zatěžujeme těžkými úkoly. Hry, práce s fotografiemi nebo videi, navigace – to vše dává procesoru a dalším komponentům větší práci a generuje více tepla. Pokud svůj smartphone vystavíte intenzivní zátěži a zároveň jej nabijete, nevyhnutelně se dostaneme do nadměrného tepla.

Citlivost na intenzivní nabíjení nebo vybíjení

Rychlé nabíjení vytváří nadměrné teplo a vysoké teploty poškozují součásti baterie. Navíc rychlé nabíjení může vést k tvorbě dendritů na anodě. Dendrity jsou vlákna vyrobená z kovu lithia. Tyto útvary mohou způsobit zkrat a poruchu baterie.

To je samozřejmě velmi extrémní případ a výrobci se tomu snaží předejít. Za tímto účelem se vyvíjejí různé protokoly pro ochranu před přehřátím a zkratem. Ale tvorba dendritů stále negativně ovlivňuje životnost baterie.

Intenzivní výboj je také doprovázen uvolňováním přebytečného tepla. Teplo navíc generují i ​​další součásti: procesor, obrazovka a rádiové moduly. To vše vede k přehřívání baterie a její degradaci.

Vysoká cena

Lithiové baterie jsou na výrobu poměrně drahé – samozřejmě ve srovnání s jinými typy baterií. Faktem je, že lithium samo o sobě je kov vzácných zemin a není levné. Výroba lithiových baterií má negativní dopad na životní prostředí. A samotné baterie mohou vážně otrávit půdu, takže je nutné je recyklovat.

Nejistota

Lithium je velmi aktivní kov a baterie na jeho bázi se mohou vznítit velmi jasně a hlučně. Jedním z nejvýmluvnějších příkladů je Samsung Galaxy Note 7. Špatně navržená baterie a řada nešťastných náhod může způsobit katastrofu.

Ukazuje se, že lithiové baterie jsou poměrně drahé, mají jemné a choulostivé komponenty a také znečišťují životní prostředí. A pak ve vaší mysli musí vyvstat otázka: když jsou lithiové baterie tak špatné, proč je stále používáme? Kde jsou nové vynálezy, revoluční nanomateriály? Žijeme v 21. století!

Jedním z takových revolučních materiálů je grafen.

Co je grafen?

Grafen je v podstatě uhlík a uhlík je na Zemi neuvěřitelně běžný prvek. Grafit, diamant, saze, grafen – to vše je uhlík, nebo spíše jeho alotropní formy. Jejich chemický vzorec je identický – „C“, ale způsob, jakým jsou atomy uhlíku navzájem spojeny, určuje vlastnosti materiálu. Diamant je neuvěřitelně tvrdý tužkový grafit lze snadno zlomit. Je to proto, že stejné atomy v grafitu a diamantu jsou uspořádány odlišně.

Atomy v grafenu jsou také uspořádány v prostoru zvláštním způsobem. Nejprve jsou seřazeny o tloušťce jednoho atomu. Za druhé, atomy tvoří šestiúhelník, podobný voštině:

Tato struktura dává grafenu prostě neuvěřitelné vlastnosti.
Grafen je vynikající vodič jak elektronů, tak tepla. Grafen je 200krát pevnější než ocel, přesto je neuvěřitelně pružný, elastický a téměř průhledný.

Díky těmto vlastnostem si grafen získal mezi vědci obrovskou popularitu: za pár let pro něj byly vynalezeny stovky pochybných aplikací. Ve vědecké komunitě se testování vlastností grafenu stalo téměř memem. Jde to tak daleko, že se do grafenu přidává kuřecí hnůj, aby se otestovalo, jak to ovlivní jeho kvality.

Díky tomuto humbuku kolem grafenu se na trhu objevily grafenové bundy, šaty, tenisové rakety, motorový olej s grafenem a hromada dalšího zbytečného harampádí, které často grafen neobsahovalo a v lepším případě byl grafen přidáván na setiny procenta. .

Faktem je, že čistý grafen je extrémně drahý materiál:

• Jeden gram čistého grafenu, který se používá v elektronice, stojí asi 28 miliard dolarů;
• Jeden gram grafenu smíchaný s prachem stojí asi 1000 dolarů.

Může grafen vyřešit problémy s bateriemi?

Až dosud lidstvo nezná komerčně úspěšné metody výroby grafenu v průmyslovém měřítku. Vysoká cena a obtížnost výroby velkého množství grafenu je jedním z důvodů, proč v našich chytrých telefonech nevidíme grafenové baterie. Ale to není jediný důvod. Použití grafenu jako katody nebo anody v bateriích není dobrý nápad.

To je důvod, proč grafen není nejvhodnějším materiálem pro dlouhodobé skladování energie.

V lithiových bateriích se náboj ukládá díky tomu, že ionty lithia pronikají do grafitové anody a tam pevně zůstávají. Tento proces se nazývá interkalace. Lithiové baterie prakticky nepodléhají samovybíjení. Powerbanku můžete nabíjet a používat po 2 měsících.

Pokud vezmeme baterii a použijeme k výrobě anody grafen místo grafitu, pak nebudou ionty lithia schopny proniknout do grafenu, ale budou se hromadit na povrchu. V tomto případě budou ionty držet na anodě v průběhu času velmi slabě, ionty mohou samovolně opustit grafen. V důsledku toho skončíme se samovybíjením baterií.

Možnost, kdy se ionty hromadí na povrchu anody a slabě na ní drží, se dobře hodí pro superkondenzátory. Jedná se o vynikající možnost, když potřebujete rychle a bez námahy odstranit velké množství iontů a přenést velké množství energie v krátkém čase. Použití grafenu proto vypadá mnohem logičtěji v superkondenzátorech, ale pro klasické baterie se grafen nijak zvlášť nehodí.

Ale grafenové baterie se prodávají už dlouho

Pravidelně slýcháme, že ten či onen startup již spustil grafenové powerbanky k prodeji. Čas od času se objeví zprávy, že giganti jako Samsung začnou do svých smartphonů dávat grafenové baterie doslova zítra. Ve skutečnosti je to jen další marketingový tah. V takových bateriích se grafen používá jako přísada ke zlepšení určitých vlastností lithiových baterií.

Přidáme-li například grafen do elektrod, zvýšíme jejich vodivost. V podstatě to zůstane stejná lithiová baterie, jejíž vlastnosti vylepšuje grafen o 5–10 %. Podobných produktů je na trhu již spousta. Jeden z prvních smartphonů v mé paměti využívající grafen v baterii byl Honor Magic. Ale jeho baterie nebyla pamatována pro žádné vynikající vlastnosti.

Není to tak dávno, co Natasha natočila video o Power Bank s grafenem:

Ve skutečnosti se grafenové powerbanky od běžných liší pouze rychlým nabíjením. Celkově se tyto „plechovky“ při nabíjení stále zahřívají a mají průměrnou kapacitu.

Čistě grafenové baterie jsou v této fázi technologického vývoje spíše marketingem na téma humbuku. Ale hybridy lithia, ve kterých se jako pomocná složka používá grafen, se používají už dlouho. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei a další značky přidávají do svých baterií grafen.

Ne revoluce, ale evoluce

Pokud se podíváte na lithiové baterie z jiného úhlu, ukáže se, že vůbec nestojí, ale neustále se vyvíjejí – jde jen o to, že tento vývoj není náhlý, ale velmi hladký a postupný. A co je nejdůležitější, technologie lithiových baterií ještě nedosáhla svého limitu a možná grafen pomůže uvolnit potenciál lithiových baterií na 100 %.

Kapacita baterie

Zdá se nám, že nedochází k navyšování kapacity lithiových baterií, ale není tomu tak. První z nich dokázala uložit asi 100 Wh/kg po 20 letech postupného vývoje se tato hodnota zdvojnásobila. V současné době mohou lithiové baterie uchovat 200–240 Wh/kg. Podle vědců budou moci zvýšit energetickou náročnost na 400 Wh/kg. A dost možná je to právě grafen, který pomůže tento ukazatel přiblížit realitě.

Rychlost nabíjení

To je další důležitý parametr, který se již pomocí grafenu zlepšuje. Vzhledem k tomu, že grafen má nízký odpor a dobře vede proud, komponenty s přídavkem grafenu se méně zahřívají. Kromě toho je grafen také dobrým vodičem tepla, takže se teplo z komponent baterie lépe odvádí.

V posledních letech jsme svědky rychlého rozvoje technologií rychlého nabíjení. Není to tak dávno, co prezentace technologií rychlého nabíjení 120 W hřímaly. A právě nedávno Xiaomi ukázalo 200W nabíječku, která naplní 11 mAh baterii Mi 4000 Pro za osm minut. S největší pravděpodobností byl do baterie tohoto Mi 11 Pro přidán grafen, ale Xiaomi o tom mlčí.

Citlivost na teplotu

Co se zatím výrazně nezlepšilo, je citlivost baterií na změny teploty a počet cyklů nabití-vybití. V těchto věcech zatím ani životodárný grafen moc nepomůže. Přesněji řečeno, grafen pomáhá částečně neutralizovat negativní vlivy přehřívání, ale neumí si poradit s nízkými teplotami.

Prodloužení životnosti

Co se týče zvýšení počtu cyklů nabití-vybití, přichází na pomoc další součástka – křemík. Dokáže zvýšit životnost lithiových baterií až o 300 %, ale vedlejším efektem křemíku je zvětšení velikosti baterií. Díky tomu budou baterie s křemíkem buď mít stejnou kapacitu jako nyní, ale budou fyzicky několikanásobně větší, nebo můžeme vyrobit kompaktní baterii s dlouhou životností, která bude mít malou kapacitu.

Celkový

Abychom to shrnuli, můžeme říci, že technologie baterií nestojí na místě a nedochází k žádným prudkým skokům. Ale stále dochází k postupnému a velmi sebevědomému pokroku. Od grafenu byste neměli očekávat žádné magické vlastnosti. Grafen nepovede k revolučnímu skoku ve vývoji baterií a rozhodně nenahradí technologii lithiových baterií, ale pouze ji doplní. Myslím, že ne nadarmo Elon Musk sází na lithiové baterie. Tesla z nějakého důvodu investuje obrovské množství peněz do vývoje lithiových baterií.

Můžeme být jen trpěliví a čekat, až se technologie vylepší a baterie se konečně zbaví svých posledních slabých míst!