Συλλέκτες ρεύματος με γραφένιο για καλύτερη μεταφορά θερμότητας και ασφάλεια στις μπαταρίες ιόντων λιθίου

Γραφένιο και μπαταρίες

Η τεχνολογία των μπαταριών εξελίσσεται γρήγορα. Πολλές χημικές συνθέσεις και κατασκευές μελετώνται ως βελτιώσεις ή εναλλακτικές των μπαταριών ιόντων λιθίου, των οποίων η ανάπτυξη τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 2019.

Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς τύπους μπαταριών. Η ονομασία «μπαταρία γραφενίου» δεν περιγράφει μία μοναδική χημική σύνθεση.

Το γραφένιο αποτελείται από ένα στρώμα ατόμων άνθρακα και έχει ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες. Περισσότερα για αυτό και άλλα δισδιάστατα υλικά, όπως το βοροφένιο και το goldene, αναφέρονται στο άρθρο «Τα δισδιάστατα υλικά, όπως το γραφένιο, ανοίγουν νέους ορίζοντες στην επιστήμη των υλικών».

Τα υλικά με βάση το γραφένιο μπορούν επίσης να μεταφέρουν αποτελεσματικά θερμότητα. Η πραγματική θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται από τη δομή, την ποιότητα και την κατεύθυνση μέτρησης.

Πηγή: GMG

Η καλύτερη κατανομή της θερμότητας θα μπορούσε να βελτιώσει τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το γραφένιο μπορεί επομένως να ενσωματωθεί τόσο σε νέες όσο και σε υπάρχουσες τεχνολογίες.

Ερευνητές από τα πανεπιστήμια Swansea, Wuhan University of Technology και Shenzhen μελέτησαν συλλέκτες ρεύματος με βάση το γραφένιο. Η εργασία τους δημοσιεύθηκε στο Nature Chemical Engineering με τίτλο «Συλλέκτες ρεύματος μεγάλης κλίμακας για τη ρύθμιση της μεταφοράς θερμότητας και τη βελτίωση της ασφάλειας των μπαταριών».

Περιορισμοί του Γραφενίου

Το γραφένιο μελετάται για πολλές εφαρμογές, μεταξύ άλλων σε υπολογιστές και ηλιακές κυψέλες, σύνθετα υλικά και βιοϊατρικές νανοδομές.

Οι εφαρμογές βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Παραμένουν επίσης σημαντικές προκλήσεις:

• Παραγωγή σε μεγάληκλίμακα: Η μηχανική απολέπιση με κολλητική ταινία ήταν σημαντική στα πρώτα πειράματα. Η βιομηχανική παραγωγή μπορεί να βασιστεί σε χημική εναπόθεση ατμών, απολέπιση σε υγρά και άλλες μεθόδους· η CVD δεν είναι η μοναδική επιλογή.
• Κόστος: Η τιμή διαφέρει ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής, την καθαρότητα, τον αριθμό στρωμάτων και τη μορφή του προϊόντος. Οι τιμές διαφορετικών προϊόντων γραφενίου δεν είναι άμεσα συγκρίσιμες. Σχετικές πληροφορίες παρέχει η ενότητα συχνών ερωτήσεων του University of Manchester.

Η κλίμακα παραγωγής, η ποιότητα και το κόστος συνδέονται. Από την απομόνωση του γραφενίου το 2004 έχουν προταθεί πολλές εφαρμογές, ορισμένες εμπορικές και άλλες ακόμη ερευνητικές.

Η αξιόπιστη παραγωγή σε επαρκείς ποσότητες είναι κρίσιμη για ευρύτερη βιομηχανική χρήση.

Ο άνθρακας είναι άφθονος, αλλά η παραγωγή γραφενίου απαιτεί ενέργεια, εξοπλισμό και συχνά χημικά. Η αφθονία της πρώτης ύλης δεν εξαλείφει όλους τους περιορισμούς πόρων ή το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

Οι πιθανές ενεργειακές εφαρμογές πρέπει επομένως να αξιολογούνται με βάση τη συγκεκριμένη διαδικασία και χρήση.

Παραγωγή φύλλων γραφενίου μεγάλου μήκους

Η μελέτη εξετάζει μια μέθοδο παραγωγής μακρών φύλλων με βάση το γραφένιο για συλλέκτες ρεύματος.

Οι ερευνητές περιγράφουνμια κλιμακώσιμη μέθοδο παραγωγής πυκνών φύλλων γραφενίου.

Η μέθοδος σχεδιάστηκε για συνεχή παραγωγή μεγάλου μήκους. Η συγκεκριμένη επίδειξη περιλάμβανε φύλλο μήκους 200 μέτρων.

Το πάχος ήταν 17 μικρόμετρα. Πρόκειται για συναρμολογημένο φύλλο υλικού με βάση το γραφένιο, όχι για ένα μόνο ατομικό στρώμα.

Στη δημοσιευμένη δοκιμή, το φύλλο διατήρησε υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα μετά από περισσότερες από 100.000 κάμψεις.

Αυτό υποστηρίζει τη διερεύνηση εύκαμπτων ηλεκτρονικών, αλλά η καταλληλότητα πρέπει να ελέγχεται στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.

Πού μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα φύλλα γραφενίου;

Σε επιβλαβείς συνθήκες, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να εμφανίσουν θερμική διαφυγή: η θερμότητα και οι εξώθερμες αντιδράσεις ενισχύουν η μία την άλλη. Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι πυρκαγιά ή άλλη σοβαρή αστοχία.

Εξετάζονται διαφορετικές λύσεις, όπως νέες κατασκευές και ηλεκτρολύτες. Ένα παράδειγμα είναι οι ηλεκτρολύτες γέλης.

Οι συλλέκτες ρεύματος είναι αγώγιμα φύλλα, συχνά από χαλκό ή αλουμίνιο, που συνδέουν τα ηλεκτρόδια με το εξωτερικό κύκλωμα. Η θερμική διαφυγή έχει πολλές πιθανές αφετηρίες, όπως εσωτερικό βραχυκύκλωμα· δεν αρχίζει αποκλειστικά στους συλλέκτες.

Η μελέτη ανέφερε θερμική αγωγιμότητα έως 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Η σύγκριση με μεταλλικά φύλλα εξαρτάται από τα δείγματα και την κατεύθυνση μέτρησης. Δεν πρόκειται για καθολικά δεκαπλάσια τιμή έναντι κάθε φύλλου χαλκού ή αλουμινίου.

Πηγή: Nature Chemical Engineering

 Πιθανές επιπτώσεις στις μπαταρίες ιόντων λιθίου

Η ταχύτερη διάχυση θερμότητας μπορεί να περιορίσει τις τοπικές αυξήσεις θερμοκρασίας. Δεν αποδεικνύει ότι εξαλείφεται κάθε κίνδυνος υπερθέρμανσης.

Η μελέτη εξετάζει επίσης τον περιορισμό αντιδράσεων και μεταφοράς αερίων που συμβάλλουν στην εξέλιξη της αστοχίας. Τα αποτελέσματα δεν εγγυώνται απόλυτη ασφάλεια για κάθε μπαταρία.

Ο Jinlong Yang επισημαίνει τον πιθανό ρόλο της πυκνής, προσανατολισμένης δομής στον περιορισμό ανεπιθύμητων αερίων και της μεταφοράς τους.

Jinlong Yang — ένας από τους επικεφαλής της έρευνας.

Η επίδειξη δείχνει δυνατότητα κλιμάκωσης. Η εμπορική ενσωμάτωση απαιτεί επιπλέον έλεγχο παραγωγής, αξιολόγηση κόστους και δοκιμές στα αντίστοιχα στοιχεία.

Ο Rui Tan περιγράφει τη μέθοδο ως βήμα προς τη χρήση συλλεκτών γραφενίου στην παραγωγή μπαταριών. Τα οφέλη εξαρτώνται από τον συνολικό σχεδιασμό του στοιχείου.

Rui Tan — ένας από τους επικεφαλής της έρευνας.

Επόμενα βήματα για τα φύλλα γραφενίου

Οι ερευνητές συνεχίζουν να μελετούν μικρότερο πάχος και καλύτερες μηχανικές ιδιότητες.

Εξετάζουν επίσης εφαρμογές σε μπαταρίες οξειδοαναγωγικής ροής και ιόντων νατρίου σε συνεργασία με την ομάδα της καθηγήτριας Serena Margodonna.

Έχουμε επίσης παρουσιάσει κυψελοειδείς κατασκευές μπαταριών που αποσκοπούν στον περιορισμό της ανάπτυξης δενδριτών. Οι δενδρίτες και η υπερθέρμανση αποτελούν διαφορετικές προκλήσεις. Βελτιώσεις και στα δύο πεδία μπορούν να αυξήσουν την ανθεκτικότητα, χωρίς να εγγυώνται πλήρη ασφάλεια.

Πηγή: Chemistry Europe

Κάποιες βελτιώσεις μεταφέρονται μεταξύ χημικών συστημάτων, ενώ άλλες εξαρτώνται από συγκεκριμένα υλικά. Κάθε νέος σχεδιασμός χρειάζεται κατάλληλες δοκιμές.

(Περισσότερα θα βρείτε στα άρθρα «Το μέλλον της κινητικότητας: τεχνολογία μπαταριών» και «Το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας: μπαταρίες για το ηλεκτρικό δίκτυο».)

Επενδύσεις στην τεχνολογία μπαταριών

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συνέβαλαν στη διάδοση των φορητών ηλεκτρονικών και των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Καλύτερες μπαταρίες μπορούν να υποστηρίξουν τις ανανεώσιμες πηγές και ορισμένες εφαρμογές ηλεκτρικής αεροπορίας. Η επιτυχία εξαρτάται από περισσότερα χαρακτηριστικά από την ενεργειακή πυκνότητα μόνο.

Στο securities.io θα βρείτε πληροφορίες για χρηματιστηριακές εταιρείες που εξυπηρετούν τις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία, το Ηνωμένο Βασίλειο, και πολλές άλλες χώρες.

Τα θεματικά ETF αποτελούν μια επιλογή αντί της αγοράς μεμονωμένων μετοχών. Παραδείγματα είναι τα Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Lithium & Battery Tech ETF (LIT), και WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Τα χαρτοφυλάκια και οι κίνδυνοι διαφέρουν ανάμεσα στα ETF. Η διασπορά δεν εγγυάται θετική απόδοση.

Δείτε επίσης τα άρθρα «10 μετοχές στον κλάδο των μπαταριών» και «10 μετοχές μετάλλων μπαταριών και εξόρυξης για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας».

Εταιρείες στον κλάδο των μπαταριών

1. Veeco

Η Veeco ιδρύθηκε το 1945 και προμηθεύει εξοπλισμό διεργασιών για την παραγωγή ημιαγωγών και συναφών υλικών. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν προηγμένα ηλεκτρονικά, LED και εξαρτήματα ισχύος.

Πηγή: Veeco

Οι τεχνολογίες της Veeco περιλαμβάνουν τη μεταλλοργανική χημική εναπόθεση ατμών, MOCVD, καθώς και άλλες μεθόδους. Η δραστηριότητά της δεν περιορίζεται σε μία διαδικασία παραγωγής γραφενίου.

Πηγή: Veeco

Η αυξανόμενη χρήση λεπτών υμενίων και ειδικών υλικών μπορεί να δημιουργήσει ζήτηση για εξοπλισμό. Η ευκαιρία εξαρτάται από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις και τις λύσεις κάθε προμηθευτή.

Αυτό δεν αποδεικνύει ότι η Veeco θα αποκτήσει έσοδα από τη συγκεκριμένη μέθοδο γραφενίου ή από κάθε μελλοντική τεχνολογία δισδιάστατων υλικών.

Η ψηφιοποίηση, η τεχνητή νοημοσύνη και ο εξηλεκτρισμός μπορούν να επηρεάσουν την αγορά εξοπλισμού. Ο ανταγωνισμός και οι επενδυτικοί κύκλοι παραμένουν σημαντικοί.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Η Graphene Manufacturing Group, GMG, αναπτύσσει γραφένιο και προϊόντα που το περιέχουν, όπως επιστρώσεις εναλλακτών θερμότητας και λιπαντικά.

Η εταιρεία προσφέρει έκθεση στην εμπορική ανάπτυξη προϊόντων γραφενίου, με τους τεχνικούς και οικονομικούς κινδύνους που συνοδεύουν την ανάπτυξη και την κλιμάκωση.

Πηγή: GMG

Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν ημιαγωγικά εξαρτήματα, όπως αναφέρεται στο άρθρο «Ημιαγωγοί γραφενίου: έφτασαν επιτέλους;». Η έρευνα για υπεραγωγιμότητα σε συστήματα γραφενίουγίνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες και δεν τεκμηριώνει υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Εξετάζονται επίσης επιστρώσεις για διάφορες ενεργειακές εφαρμογές.

Πηγή: GMG

Η GMG χρησιμοποιεί πλάσμα για να διασπάσει το μεθάνιο σε ανθρακούχο υλικό και υδρογόνο. Το υδρογόνο είναι προϊόν αυτής της διαδικασίας. Άλλοι παραγωγοί χρησιμοποιούν, μεταξύ άλλων, μεθόδους που ξεκινούν από γραφίτη.

Το υλικό της εταιρείας από τον Μάιο του 2024 περιγράφει εγκαταστάσεις στην Αυστραλία με πρώτη φάση λειτουργίας από το 2023. Η δυναμικότητα ενός εκατομμυρίου λίτρων ετησίως αφορά ανάμειξη επίστρωσης για εναλλάκτες θερμότητας, όχι καθαρό γραφένιο.

Η GMG αναπτύσσει και μπαταρίες ιόντων αλουμινίου με γραφένιο. Η παρουσίαση του Μαΐου 2024 ανέφερε επιδόσεις και εκτιμήσεις από δοκιμές στοιχείων τύπου νομίσματος, μεταξύ άλλων 290 Wh/kg και πιθανά οφέλη σε φόρτιση και διάρκεια ζωής. Η ίδια προειδοποιούσε ότι μεγαλύτερα στοιχεία τύπου pouch μπορούσαν να έχουν σημαντικά διαφορετικές επιδόσεις· δεν ήταν δεδομένα έτοιμου εμπορικού προϊόντος.

Πηγή: GMG

Οι μπαταρίες μπορεί να αποτελέσουν νέα εφαρμογή για την GMG. Η τεχνική ανάπτυξη, η παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα και η ζήτηση της αγοράς παραμένουν καθοριστικές αβεβαιότητες.