Grafenbaserede strømkollektorer kan forbedre varmefordeling og sikkerhed i lithium-ion-batterier

Grafen og batterier

Batteriteknologi udvikler sig hurtigt. Mange sammensætninger og konstruktioner undersøges som forbedringer eller alternativer til lithium-ion-batterier, hvis udvikling blev hædret med Nobelprisen i kemi i 2019.

Grafen kan indgå i flere batterityper. Betegnelsen grafenbatteri beskriver derfor ikke én bestemt kemi.

Grafen består af et enkelt lag kulstofatomer og har interessante elektriske og mekaniske egenskaber. Vi beskriver materialet og andre todimensionelle materialer, blandt andet borofen og goldene, i »2D-materialer som grafen åbner nye muligheder inden for materialevidenskab«.

Grafenbaserede materialer kan også lede varme effektivt. Den faktiske varmeledning afhænger blandt andet af struktur, kvalitet og måleretning.

Kilde: GMG

Bedre varmefordeling kan muligvis forbedre lithium-ion-batterier. Grafen kan altså både bruges i nye batterikoncepter og som en komponent i eksisterende kemier.

Forskere fra Swansea University, Wuhan University of Technology og Shenzhen University undersøgte grafenbaserede strømkollektorer. Deres arbejde blev offentliggjort i Nature Chemical Engineering under titlen »Strømkollektorer i stor skala til styring af varmetransport og forbedring af batterisikkerhed«.

Begrænsninger ved grafen

Grafen undersøges til mange teknologier, blandt andet computere og solceller, kompositmaterialer og biomedicinske nanostrukturer.

Anvendelserne har forskellige modenhedsniveauer, og materialet har stadig væsentlige begrænsninger:

• Fremstilling i skala: Mekanisk eksfoliering med tape var vigtig i de tidlige forsøg. Produktion i stor skala kan også bygge på CVD, væskebaseret eksfoliering og andre metoder; CVD er ikke den eneste mulighed.
• Omkostninger: Pris og kvalitet varierer med fremstillingsmetode, renhed, lagantal og produktform. De er derfor ikke direkte sammenlignelige på tværs af alle grafenprodukter. En FAQ fra University of Manchester beskriver disse prisforskelle.

Produktionsskala, kvalitet og omkostninger hænger sammen. Opdagelsen i 2004 førte til mange anvendelsesforslag, men nogle er stadig under udvikling, mens andre allerede har kommercielle produkter.

Pålidelig fremstilling i tilstrækkelige mængder er vigtig for mere udbredt industriel anvendelse.

Kulstof er almindeligt forekommende, men det betyder ikke, at fremstilling af grafen er uden ressourcebegrænsninger. Energi, proceskemikalier, udstyr og produktkvalitet påvirker både pris og miljøaftryk.

Grafen kan derfor være relevant for energiteknologi, men fordelene skal vurderes for hver konkret proces og anvendelse.

Grafenfolie i lange baner

Studiet undersøger en metode til at fremstille lange, grafenbaserede folier til strømkollektorer.

Forskerne beskriveren skalerbar fremstillingsmetode til tætte grafenfolier.

Metoden er udviklet med henblik på kontinuerlig fremstilling i lange baner. Den konkrete demonstration omfattede en folie på 200 meter.

Folien havde en tykkelse på 17 mikrometer. Det er en samlet folie af grafenbaseret materiale, ikke et enkelt atomtykt grafenlag.

Materialet bevarede høj elektrisk ledningsevne efter mere end 100.000 bøjninger i den rapporterede test.

Det gør fleksibel elektronik til en mulig anvendelse, men egnethed og holdbarhed skal afprøves under de konkrete driftsforhold.

Hvad kan grafenfolie bruges til?

Lithium-ion-batterier kan under skadelige forhold udvikle termisk runaway, hvor varme og eksoterme reaktioner forstærker hinanden. Det kan medføre brand og andre alvorlige fejl.

Flere metoder undersøges for at mindske denne risiko, herunder andre elektrolytter og cellekonstruktioner. Et eksempel er gelelektrolytter.

Strømkollektorer er ledende folier, ofte af kobber eller aluminium, som forbinder elektroderne med det ydre kredsløb. Termisk runaway kan udløses af flere mekanismer, herunder intern kortslutning; det opstår ikke kun ved strømkollektorerne.

Studiet rapporterede en varmeledningsevne for grafenfolien på op til 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Sammenligningen med metalfolier afhænger af referenceprøve, struktur og måleretning; tallet er ikke en universel tidobling i forhold til alle kobber- og aluminiumfolier.

Kilde: Nature Chemical Engineering

 Mulig betydning for lithium-ion-batterier

Hurtigere varmefordeling kan mindske lokale temperaturstigninger. Studiet undersøger også barrierer mod reaktioner og gastransport, som kan bidrage til fejlforløbet. Det dokumenterer ikke, at enhver risiko for brand eller termisk runaway er elimineret.

Jinlong Yang fremhæver den tætte, orienterede strukturs mulige betydning for at begrænse uønsket gasdannelse og transport.

Jinlong Yang — medledende forsker i projektet.

Demonstrationen viser potentiale for opskalering. Fuld kommerciel integration kræver også proceskontrol, omkostningsvurdering og validering i de relevante batterier.

Rui Tan beskriver metoden som et skridt mod grafenbaserede strømkollektorer til batteriproduktion. De foreslåede forbedringer skal vurderes i det samlede celledesign.

Rui Tan — medledende forsker i projektet.

Videre udvikling af grafenfolie

Forskerne arbejder videre med at reducere tykkelsen og forbedre de mekaniske egenskaber.

De undersøger også muligheder i redox-flow-batterier og natrium-ion-batterier i samarbejde med professor Serena Margodonnas gruppe.

Vi har tidligere omtalt bikagelignende batterikonstruktioner, som skal modvirke dendritvækst. Dendritter og varmeudvikling er forskellige sikkerhedsproblemer. Forbedringer på begge områder kan bidrage til mere robuste batterier, men ingen enkelt løsning garanterer fuld sikkerhed.

Kilde: Chemistry Europe

Nogle batteriforbedringer kan overføres mellem kemier, mens andre er specifikke for bestemte materialer. Derfor skal nye designs testes i deres tilsigtede sammenhæng.

(Læs også vores artikler »Mobilitetens fremtid: batteriteknologi« og »Fremtidens energilagring: batterier til elnettet«.)

Investering i batteriteknologi

Lithium-ion-batterier har muliggjort bærbar elektronik og bidraget til udbredelsen af elbiler.

Bedre batterier kan også hjælpe integrationen af vedvarende energi og elektrificering af visse flytyper. Det kræver forskellige løsninger og afgøres ikke af energitæthed alene.

Her på securities.io finder du information om børsmæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien, og mange andre lande.

Tematiske batterifonde kan være et alternativ til at vælge enkelte selskaber. Eksempler er Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), og WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Fondene har forskellige beholdninger og risici; spredning på flere selskaber garanterer ikke et positivt afkast.

Se også artiklerne »10 aktier inden for batterier« og »10 aktier inden for batterimetaller og minedrift til vedvarende energi«.

Batterivirksomheder

1. Veeco

Veeco blev grundlagt i 1945 og leverer procesudstyr til halvleder- og beslægtede industrier. Udstyret bruges blandt andet til fremstilling af komponenter til avanceret elektronik, LED’er og effektkomponenter.

Kilde: Veeco

Veecos teknologier omfatter blandt andet MOCVD, metalorganisk kemisk dampaflejring. Virksomheden leverer også andre procesværktøjer; hele forretningen kan ikke reduceres til én CVD-metode.

Kilde: Veeco

Flere anvendelser af tyndfilm og specialmaterialer kan skabe efterspørgsel efter procesudstyr. Det afhænger af de konkrete fremstillingskrav og leverandørernes løsninger.

Det er ikke dermed dokumenteret, at Veeco får indtægter fra netop den beskrevne grafenfolie eller fra alle fremtidige grafen- og borofenteknologier.

Digitalisering, kunstig intelligens og elektrificering kan påvirke udstyrsmarkedet, men den enkelte virksomheds resultater afhænger også af konkurrencen og investeringscykler.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Graphene Manufacturing Group, GMG, udvikler grafen og grafenbaserede produkter, blandt andet varmevekslerbelægninger og smøremidler.

Virksomheden giver eksponering mod kommercialisering af grafenprodukter, men produktudvikling og opskalering indebærer tekniske og økonomiske risici.

Kilde: GMG

Mulige fremtidige anvendelser af grafen omfatter halvlederkomponenter, som beskrevet i »Grafenhalvledere: er de endelig her?«. Forskning i superledning i grafensystemerforegår ved lave temperaturer og er ikke bevis på superledning ved stuetemperatur. Der undersøges også grafenbelægninger til forskellige energirelaterede formål.

Kilde: GMG

GMG anvender en plasmabaseret proces, som spalter metan til kulstofmateriale og brint. Brint er her et produkt, ikke blot en ekstra kulstofråvare. Andre producenter bruger blandt andet grafitbaserede metoder.

Selskabets materiale fra maj 2024 beskriver en australsk produktion, hvor første fase blev sat i drift i 2023. Kapaciteten på op til én million liter om året gælder blanding af varmevekslerbelægning, ikke én million liter ren grafen.

GMG udvikler også grafen-aluminium-ion-batterier. I præsentationen fra maj 2024 viste selskabet tal baseret på møntcelleforsøg og estimering, herunder 290 Wh/kg samt mulige fordele ved opladning og levetid. Selskabet advarede udtrykkeligt om, at posecellers præstationer kunne blive væsentligt anderledes. Tallene er derfor ikke færdige kommercielle batteriers dokumenterede ydelse.

Kilde: GMG

Batterier kan blive et nyt anvendelsesområde for GMG, men udvikling, opskalering og markedsefterspørgsel er fortsat afgørende usikkerheder.