Parannetaan litiumioniakkuja: Uusi grafeeniteknologia tarjoaa 10‑kertaisesti korkeamman lämmönjohtavuuden kuin nykyiset ratkaisut

Grafeeni & Akut

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose löytö palkittiin Nobelin kemianpalkinnolla vuonna 2019.

Yksi tällainen vaihtoehto on grafeenia käyttävät akut.

Tämä johtuu siitä, että grafeeni on “ihmemateriaali”, joka koostuu yhdestä hiiliatomikerroksesta. Tämä antaa sille poikkeukselliset sähköominaisuudet. Selitimme tarkemmin grafeenista sekä muista “2D-materiaaleista”, kuten borofeenista ja kultasesta artikkelissa “2D-materiaalit, kuten grafeeni, avaavat uusia rajoja materiaalitieteessä”.

Sähköominaisuudet eivät ole ainoat piirteet, jotka tekevät grafeenista poikkeuksellisen. Se on myös merkittävä lämmönjohtavuudellaan, mikä mahdollistaa lämmön siirtämisen äärimmäisen nopeasti.

Lähde: GMG

Tämä lämmönjohtavuusominaisuus voi osoittautua mullistavaksi akkuteollisuudelle, ja paradoksaalisesti grafeeni voi auttaa pitämään litiumioniakut hallitsevana akkuteknologiana vaihtoehtoisten kemialuokkien, mukaan lukien grafeenipohjaisten akkujen, rinnalla.

Tämä voi tapahtua Swansea Universityn (UK) tutkijoiden tekemän löydön ansiosta, yhteistyössä Wuhan University of Technologyn ja Shenzhen Universityn (Kiina) kanssa. He julkaisivat tuloksensa tieteellisessä artikkelissa, joka on julkaistu Nature Chemical Engineering -lehdessä otsikolla “Suuren mittakaavan virrankeräimet lämmönsiirron säätelyyn ja akkujen turvallisuuden parantamiseen”.

Grafeenin rajoitukset

Paperilla grafeeni on ihmemateriaali, jonka pitäisi mullistaa monia teollisuudenaloja, akkuvalmistuksesta kaikkiin sähkön käyttöön, mukaan lukien tietokoneet ja aurinkopaneelit, ja jopa betoni sekä nanorobotit verisuonistossamme.

Käytännössä grafeeni kärsii muutamista rajoituksista:

• Valmistus suuressa mittakaavassa: Scotch-teippiä levitettynä grafiittikappaleelle riitti grafeenin löytämiseen. Mutta paljon monimutkaisempia menetelmiä, kuten kemiallinen höyrykerrostus (CVD), tarvitaan massatuotantoon.
• Kustannukset: useimmat tuotantomenetelmät ja sovellukset olemassa oleviin laitteisiin ovat pääosin pienimuotoisia tai räätälöityjä, ja 2D-materiaalit ovat pysyneet melko kalliina. Todellinen hinta voi vaihdella suuresti puhtauden mukaan, esimerkiksi grafeenin hinta vaihtelee $20–2 000/kg.

Tietenkin nämä kaksi ongelmaa ovat yhteydessä toisiinsa, sillä tuotannon pieni mittakaava nostaa kustannuksia. Tähän mennessä se on merkittävästi haitannut grafeenin massakäyttöönottoa, jättäen monet tämän materiaalin lupaukset täyttymättä, vaikka se löydettiin 20 vuotta sitten vuonna 2004.

Kyky tuottaa grafeenipohjaista materiaalia suurina määrinä on avain sekä kustannusten alentamiseen että teollisen mittakaavan sovellusten mahdollistamiseen.

Tämä on puhtaasti valmistus- ja teknologinen kysymys, sillä grafeeni koostuu hiilestä, runsaasta ja edullisesta materiaalista. Siksi se ei kärsi harvinaisten materiaalien ongelmasta, kuten esimerkiksi vedyn tuotantokatalyytit, jotka käyttävät harvinaisia metalleja kuten platinaa tai palladiumia.

Näin ollen grafeenilla on potentiaalia todella mullistaa energiajärjestelmämme ilman resurssien ehtymisen rajoja, kun sitä otetaan käyttöön massana.

Grafeenin valmistaminen kilometreiksi

Tämä massatuotannon haaste on se, mitä edellä mainitun paperin tutkijat väittävät osittain ratkaisseensa.

Tutkijoiden julkaisu “kuvaa ensimmäisen onnistuneen protokollan vikattomien grafeenifolien valmistamiseksi kaupallisessa mittakaavassa”.

Tieteellisessä artikkelissa selitettyä menetelmää voidaan käyttää grafeenifolien luomiseen pituuksilla metreistä kilometreihin.

Vaikka laboratoriossa, joka ei ole suunniteltu massatuotantoon, he onnistuivat valmistamaan 200 metriä pitkän grafeenifolin, jonka paksuus on 17 mikrometriä.

Tämä folio on myös poikkeuksellisen kestävä, ja sen on osoitettu säilyttävän korkean sähkönjohtavuuden jopa 100 000 taivutuksen jälkeen.

Siksi voidaan turvallisesti olettaa, että sen käyttö joustavassa elektroniikassa, teollisessa valmistuksessa ja muissa sovelluksissa, joissa grafeenia käytetään voimakkaiden virtojen siirtämiseen, on mahdollista.

Mitä grafeenifolit voivat tehdä?

Litiumioniakut ovat alttiita keskeiselle riskille, jota kutsutaan termiseksi hallitsemattomuudeksi (thermal runaway). Tämä tapahtuu, kun liiallista lämpöä kertyy akun osaan, mikä usein johtaa akun epäonnistumiseen vaarallisten tulipalojen tai räjähdysten seurauksena.

Tämä ongelma on yksi keskeisistä syistä, miksi monet tutkijat ja akkuyritykset etsivät vaihtoehtoja litium-ionille, kuten natrium-ionia. Useita vaihtoehtoisia ratkaisuja tutkitaan, esimerkiksi geelielektrolyyttejä.

Terminen hallitsemattomuus tapahtuu enimmäkseen akun virrankeräimissä, joissa teho on keskittynyt. Nykyisissä litiumioniakuissa virrankeräimet valmistetaan yleensä alumiinista tai kuparista.

Tutkimuksen kehittämät grafeenivirrankeräimet, jotka on valmistettu grafeenifolista, voivat saavuttaa lämmönjohtavuuden jopa 1 400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Vertailun vuoksi tämä on lähes 10‑kertainen kupariin ja alumiiniin perustuvia keräimiä verrattuna.

Lähde: Nature Chemical Engineering

 Vaikutus litiumioniakkujen

Koska grafeenifoli näyttää erittäin nopeaa lämmön hajautumista, se poistaa paikallisen lämmön keskittymisen riskin, kun virta kulkee.

Vaihda, tämä poistaa alumiinitermisten ja vedyn muodostumisreaktioiden riskit, jotka ovat kriittisiä vaiheita, jotka johtavat akun vikaantumisen ja tulipaloriskin leviämiseen.

“Tiheä, kohdistettu grafeenirakenteemme tarjoaa vahvan esteen syttyvien kaasujen muodostumiselle ja estää hapen läpäisemästä akkukennot, mikä on ratkaisevan tärkeää katastrofaalisten vikojen välttämiseksi,”

Dr Jinlong Yang, yhteisjohtava tekijä

Ehkä tärkeämpänä on, että menetelmä on jo todistettu käyttökelpoiseksi grafeenifolin massatuotannossa. Näin se voitaisiin nopeasti integroida olemassa oleviin akkujen valmistusprosesseihin.

“​Tämä on merkittävä edistysaskel akkuteknologiassa. Menetelmämme mahdollistaa grafeenivirrankeräimien tuotannon mittakaavassa ja laadussa, jotka voidaan helposti integroida kaupalliseen akkujen valmistukseen. Tämä ei ainoastaan paranna akkujen turvallisuutta hallitsemalla lämpöä tehokkaasti, vaan myös lisää energian tiheyttä ja käyttöikää.”

Dr Rui Tan, yhteisjohtava tekijä

Grafeenifolien tulevaisuuden sovellukset

Tutkijat etsivät jo keinoja vähentää grafeenifolien paksuutta ja parantaa niiden mekaanisia ominaisuuksia entisestään.

He etsivät myös, miten grafeenifoli voisi auttaa suunnittelemaan parempia virtausakkuja ja natriumioniakkuja, yhteistyössä toisen Swansea Universityn tutkimusryhmän kanssa, Prof. Serena Margodonna:n johdolla.

Aiemmin käsittelimme hunajakenno-litiumioniakkuja, jotka poistavat akkujen vikaantumisriskin dendriittien kasvusta. Jos terminen hallitsemattomuus voidaan myös hillitä grafeenifolin avulla, tämä voisi tehdä litiumioniakuista paljon turvallisempia ja kestävämpiä kuin nykyversio.

Lähde: Chemistry Europe

Tämä noudattaa yleisesti suurimpien innovaatioiden mallia, joissa yksi akkuteknologian erikoisala laajenee muihin suunnitelmiin, edistäen alan nopeaa kehitystä.

(Voit myös oppia lisää akkuteknologiasta artikkeleissamme “The Future of Mobility – Battery Tech” ja “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Sijoittaminen akkuteknologiaan

Litiumioniakut ovat jo muuttaneet maailmaa useaan otteeseen, mahdollistamalla kehittyneiden elektroniikkalaitteiden kantamisen kaikkialle sekä sähköautojen ajamisen pelkällä sähköllä.

Ne saattavat tehdä sen uudelleen, tai muut akkutyypit, mahdollistamalla 100 % uusiutuvan energian verkon tai lentokoneiden sähköistämisen, kun saavutetaan riittävän korkea energian tiheys.

Voit sijoittaa akkuihin liittyviin yrityksiin useiden välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io:sta, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Iso-Britanniassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä akkuyrityksiä, voit myös tarkastella akkuihin keskittyviä ETF:iä, kuten Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:n Lithium & Battery Tech ETF (LIT), tai WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kasvavalle akkualalle.

Tai voit tarkastella artikkeleitamme “Top 10 Battery Stocks To Invest In” ja “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.

Akkuyritykset

1. Veeco

Veeco on ollut merkittävä laitteiden toimittaja puolijohdeteollisuudelle perustamisestaan vuonna 1945 lähtien. Sen koneita käytetään kehittyneiden EUV-sirujen valmistukseen, 5G-antennien, kiintolevyjen, LIDARin, LEDien, sähköelektroniikan EV-ajoneuvoille jne.

Lähde: Veeco

Yhtiön pääteknologinen fokus on sama CVD-prosessi, jota käytetään borofeenin ja joidenkin grafeenituotteiden valmistukseen, tarkemmin sanottuna MOCVD (metalliorgaaninen kemiallinen höyrykerrostus).

Lähde: Veeco

Johtavana toimijana tässä puolijohteiden erikoissegmentissä Veeco voi olla hyvä ehdokas panostaa CVD-sovellusten kasvuun.

Tällainen kasvu voi johtua grafeenin, volframin ja borofeenin kasvavasta käytöstä, kun opimme yhä paremmin manipuloimaan materiaalia atomitasolla. Tämä sisältää grafeenipinnoitteet, mutta myös mahdolliset grafeenisemikonduktorit, suprajohtimet jne.

Se hyötyy myös todennäköisesti massiivisista digitalisaation, tekoälyn ja sähköistymisen trendeistä, riippumatta siitä, käyttääkö se laajasti 2D-materiaaleja vai ei.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG on grafeenintuottaja, joka on keskittynyt tuotevalikoimaansa jo todistettuihin grafeenipohjaisiin tuotteisiin, kuten lämmönkäsittelyyn ja voiteluaineisiin.

Tämä tekee GMG:stä hyvän vaihtoehdon sijoittajille, jotka etsivät suoraa altistusta grafeenimarkkinoille ja yritystä, joka on jo aktiivinen grafeenin massatuotannossa ja nykyisen tuotantomenetelmän parantamisessa.

Lähde: GMG

Muita mahdollisia sovelluksia voisivat olla grafeenisemikonduktorien luominen (katso “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), tai jopa huoneenlämpöiset suprajohtimet. Grafeenikäsittely voisi myös löytää käyttöä akuissa ja vedyn paineastiateknologiassa.

Lähde: GMG

GMG tuottaa grafeeninsa metaanista + vedystä, mikä eroaa useimmista kilpailijoista, jotka tuottavat sen grafiittin luonnonvaroista. Tämä mahdollistaa korkeamman puhtauden, paremman skaalautuvuuden ja edullisen tuotannon.

Yhtiö avasi ensimmäisen tuotantolaitoksensa Australiassa vuonna 2023, jonka kapasiteetti on jopa 1 miljoona litraa lämmönvaihtimen pinnoitustuotantoa vuodessa.

Seuraava askel yhtiölle on sen akkuteknologia, joka perustuu grafeeni-alumiiniumioniin, jonka energiatihkitys on 290 Wh/kg, 60‑kertainen latausnopeus litiumioniakkuihin verrattuna, 3‑kertainen akkuikä, ja parempi tulipaloriskiprofiili.

Lähde: GMG

Tämä astuminen akkumarkkinoille voi olla suuri riski GMG:lle, mutta se antaa myös ainutlaatuisen näkökulman tulevaisuuden markkinoihin, jotka voivat avautua grafeenille, mukaan lukien sähköajoneuvot ja muut energialähtöiset sovellukset.