Grafen și baterii
Grafenul, o foaie de atomi de carbon legați împreună într-un model de rețea de tip fagure, este recunoscut ca un „material minune” datorită multitudinii de atribute uimitoare pe care le deține. Este un conductor puternic de energie electrică și termică, extrem de ușor inert din punct de vedere chimic și flexibil, cu o suprafață mare. De asemenea, este considerat ecologic și durabil, cu posibilități nelimitate pentru numeroase aplicații.
Avantajele bateriilor cu grafen
În domeniul bateriilor, materialele convenționale ale electrozilor bateriei (și cele posibile) sunt îmbunătățite semnificativ atunci când sunt îmbunătățite cu grafen. O baterie cu grafen poate fi ușoară, durabilă și potrivită pentru stocarea energiei de mare capacitate, precum și pentru a scurta timpii de încărcare. Va prelungi durata de viață a bateriei, care este legată negativ de cantitatea de carbon care este acoperită pe material sau adăugată la electrozi pentru a obține conductivitate, iar grafenul adaugă conductivitate fără a necesita cantitățile de carbon care sunt utilizate în bateriile convenționale.
Grafenul poate îmbunătăți astfel de atribute ale bateriei, cum ar fi densitatea și forma de energie în diferite moduri. Bateriile Li-ion (și alte tipuri de baterii reîncărcabile) pot fi îmbunătățite prin introducerea grafenului în anodul bateriei și valorificarea conductivității materialului și a caracteristicilor de suprafață mare pentru a obține optimizarea morfologică și performanța.
De asemenea, s-a descoperit că crearea de materiale hibride poate fi utilă și pentru obținerea îmbunătățirii bateriei. Un hibrid de oxid de vanadiu (VO2) și grafenul, de exemplu, pot fi utilizate pe catozii Li-ion și oferă o încărcare și descărcare rapide, precum și o durabilitate mare a ciclului de încărcare. În acest caz, VO2 oferă o capacitate energetică mare, dar o conductivitate electrică slabă, care poate fi rezolvată prin utilizarea grafenului ca un fel de „coloană vertebrală” structurală pe care să se atașeze VO2 – crearea unui material hibrid care are atât o capacitate sporită, cât și o conductivitate excelentă.
Un alt exemplu sunt bateriile LFP (Lithium Iron Phosphate), adică un fel de baterie Li-ion reîncărcabilă. Are o densitate de energie mai mică decât alte baterii Li-ion, dar o densitate de putere mai mare (un indicator al ratei cu care energia poate fi furnizată de baterie). Îmbunătățirea catozilor LFP cu grafen a permis bateriilor să fie ușoare, să se încarce mult mai rapid decât bateriile Li-ion și să aibă o capacitate mai mare decât bateriile LFP convenționale.
Pe lângă revoluționarea pieței bateriilor, utilizarea combinată a bateriilor cu grafen și a grafenului supercapacitori ar putea da rezultate uimitoare, cum ar fi conceptul remarcat de îmbunătățire a autonomiei și eficienței mașinii electrice. În timp ce bateriile cu grafen nu au atins încă o comercializare pe scară largă, în întreaga lume sunt raportate descoperiri ale bateriilor.
Elementele de bază ale bateriei
Bateriile servesc ca o sursă mobilă de energie, permițând dispozitivelor alimentate cu electricitate să funcționeze fără a fi conectate direct la o priză. Deși există multe tipuri de baterii, conceptul de bază prin care funcționează rămâne similar: una sau mai multe celule electrochimice transformă energia chimică stocată în energie electrică. O baterie este de obicei realizată dintr-o carcasă din metal sau plastic, care conține o bornă pozitivă (un anod), o bornă negativă (un catod) și electroliți care permit ionilor să se deplaseze între ele. Un separator (o membrană polimerică permeabilă) creează o barieră între anod și catod pentru a preveni scurtcircuitele electrice, permițând în același timp transportul purtătorilor de sarcină ionică care sunt necesari pentru a închide circuitul în timpul trecerii curentului. În cele din urmă, un colector este folosit pentru a conduce încărcarea în afara bateriei, prin intermediul dispozitivului conectat.
Când circuitul dintre cele două terminale este finalizat, bateria produce energie electrică printr-o serie de reacții. Anodul experimentează o reacție de oxidare în care doi sau mai mulți ioni din electrolit se combină cu anodul pentru a produce un compus, eliberând electroni. În același timp, catodul trece printr-o reacție de reducere în care substanța catodică, ionii și electronii liberi se combină în compuși. Mai simplu spus, reacția anodului produce electroni, în timp ce reacția din catod îi absoarbe și din acel proces se produce electricitate. Bateria va continua să producă electricitate până când electrozii vor epuiza substanța necesară pentru crearea reacțiilor.
Tipuri și caracteristici ale bateriei
Bateriile sunt împărțite în două tipuri principale: primare și secundare. Bateriile primare (de unică folosință) sunt folosite o singură dată și devin inutile, deoarece materialele electrozilor din ele se schimbă ireversibil în timpul încărcării. Exemple comune sunt bateria zinc-carbon, precum și bateria alcalină folosită în jucării, lanterne și o multitudine de dispozitive portabile. Bateriile secundare (reîncărcabile), pot fi descărcate și reîncărcate de mai multe ori, deoarece compoziția originală a electrozilor este capabilă să-și recapete funcționalitatea. Exemplele includ bateriile plumb-acid utilizate în vehicule și bateriile litiu-ion utilizate pentru electronice portabile.
Bateriile vin în diferite forme și dimensiuni pentru nenumărate scopuri diferite. Diferite tipuri de baterii prezintă avantaje și dezavantaje variate. Bateriile cu nichel-cadmiu (NiCd) au o densitate de energie relativ scăzută și sunt utilizate acolo unde durata de viață lungă, rata mare de descărcare și prețul economic sunt cheia. Ele pot fi găsite în camerele video și sculele electrice, printre alte utilizări. Bateriile NiCd conțin metale toxice și nu sunt prietenoase cu mediul. Bateriile nichel-hidrură metalică au o densitate de energie mai mare decât cele NiCd, dar și un ciclu de viață mai scurt. Aplicațiile includ telefoane mobile și laptopuri. Bateriile cu plumb-acid sunt grele și joacă un rol important în aplicațiile cu putere mare, unde greutatea nu este esențială, ci prețul economic este. Ele sunt predominante în utilizări precum echipamentul spitalicesc și iluminatul de urgență.
Bateriile litiu-ion (Li-ion) sunt folosite acolo unde este importantă o energie mare și o greutate minimă, dar tehnologia este fragilă și este necesar un circuit de protecție pentru a asigura siguranța. Aplicațiile includ telefoane mobile și diferite tipuri de computere. Bateriile litiu-ion polimer (Li-ion polimer) se găsesc mai ales în telefoanele mobile. Sunt ușoare și se bucură de o formă mai subțire decât cea a bateriilor Li-ion. De asemenea, sunt de obicei mai siguri și au o viață mai lungă. Cu toate acestea, par să fie mai puțin răspândite, deoarece bateriile Li-ion sunt mai ieftine de fabricat și au o densitate de energie mai mare.
Baterii și supercondensatori
Deși există anumite tipuri de baterii care sunt capabile să stocheze o cantitate mare de energie, acestea sunt foarte mari, grele și eliberează energie lent. Condensatorii, pe de altă parte, sunt capabili să se încarce și să se descarce rapid, dar rețin mult mai puțină energie decât o baterie. Cu toate acestea, utilizarea grafenului în acest domeniu prezintă noi posibilități interesante de stocare a energiei, cu rate ridicate de încărcare și descărcare și chiar accesibilitate economică. Performanța îmbunătățită cu grafen estompează astfel linia convențională de distincție între supercapacitori si baterii.
Bateriile cu grafen combină avantajele atât ale bateriilor, cât și ale supercondensatorilor
Bateriile îmbunătățite cu grafen sunt aproape aici
Bateriile pe bază de grafen au un potențial interesant și, deși nu sunt încă pe deplin disponibile comercial, cercetarea și dezvoltarea este intensă și sperăm că va da rezultate în viitor. Companiile din întreaga lume (inclusiv Samsung, Huawei și altele) dezvoltă diferite tipuri de baterii îmbunătățite cu grafen, dintre care unele intră acum pe piață. Principalele aplicații sunt în vehiculele electrice și dispozitivele mobile.
Unele baterii folosesc grafenul în moduri periferice – nu în chimia bateriei. De exemplu, în 2016, Huawei a dezvăluit o nouă baterie Li-Ion îmbunătățită cu grafen care folosește grafenul pentru a rămâne funcțional la temperatură mai mare (60° grade spre deosebire de limita existentă de 50°) și oferă un timp de funcționare dublu. Grafenul este folosit în această baterie pentru o mai bună disipare a căldurii - reduce temperatura de funcționare a bateriei cu 5 grade.
Sursa: Baterii cu grafen: introducere și știri despre piață | Grafen-Informații
