Energie
Verbetering van lithium‑ionbatterijen: Nieuwe grafeintechnologie biedt een thermische geleidbaarheid die 10 keer hoger is dan huidige oplossingen
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Grafeen & Batterijen
Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose discovery was rewarded by a Nobel Prize in Chemistry in 2019.
Een van die alternatieven zijn batterijen die grafeen gebruiken.
Dit komt omdat grafeen een “wondermateriaal” is, bestaande uit een enkele laag koolstofatomen. Dit geeft het buitengewone elektrische eigenschappen. We legden meer uit over grafeen, evenals andere “2D-materialen” zoals borofeen en goudene in “2D-materialen, zoals grafeen, openen nieuwe fronten in de materiaalkunde”.
Elektrische eigenschappen zijn niet de enige kenmerken die grafeen uitzonderlijk maken. Het is ook opmerkelijk vanwege zijn thermische geleidbaarheid, waardoor het warmte extreem snel kan overdragen.
Bron: GMG
Deze thermische eigenschap zou transformatief kunnen zijn voor batterijtechnologie en paradoxaal genoeg zou grafeen kunnen helpen om lithium‑ionbatterijen de dominante batterijtechnologie te houden ten opzichte van alternatieve chemieën, inclusief grafeen‑gebaseerde batterijen.
Dit zou kunnen gebeuren dankzij een ontdekking van onderzoekers aan de Swansea University (VK), in samenwerking met de Wuhan University of Technology en Shenzhen University (China). Ze onthulden hun resultaten in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd in Nature Chemical Engineering onder de titel “Groot‑schaal stroomverzamelaars voor het reguleren van warmteoverdracht en het verbeteren van de veiligheid van batterijen”.
Beperkingen van grafeen
Op papier is grafeen een wondermateriaal dat veel industrieën zou moeten revolutioneren, van batterijproductie tot alles wat elektriciteit gebruikt, inclusief computers en zonnepanelen, en zelfs beton en nanorobots in ons bloedvatenstelsel.
In de praktijk kent grafeen enkele beperkingen:
- Productie op scale: Scotch‑tape aangebracht op een stuk grafiet was voldoende om grafeen te ontdekken. Maar veel complexere methoden zoals Chemical Vapor Deposition (CVD) zijn nodig voor massaproductie.
- Kosten: de meeste productiemethoden en toepassingen op bestaande apparaten zijn meestal kleinschalig of op maat, en 2D-materialen blijven vrij duur. De daadwerkelijke prijs kan sterk variëren afhankelijk van zuiverheid, bijvoorbeeld grafeen varieert tussen $20-2.000/kg.
Natuurlijk zijn de twee problemen met elkaar verbonden, omdat de kleinschalige productie de kosten verhoogt. Tot nu toe heeft dit de massale adoptie van grafeen ernstig belemmerd, waardoor de meeste beloften van dit materiaal nog niet zijn waargemaakt, ondanks de ontdekking 20 jaar geleden in 2004.
Het vermogen om grafeen‑gebaseerd materiaal in grote volumes te produceren is cruciaal om zowel de kosten te verlagen als industriële toepassingen mogelijk te maken.
Dit is een puur productie‑ en technologisch probleem, aangezien grafeen bestaat uit koolstof, een overvloedig en goedkoop materiaal. Het lijdt dus niet onder het probleem van zeldzame materialen, zoals bijvoorbeeld waterstofproducerende katalysatoren die zeldzame metalen zoals platina of palladium gebruiken.
Als zodanig heeft grafeen het potentieel om onze energiesystemen echt te revolutioneren, zonder grenzen te bereiken door uitputting van hulpbronnen wanneer het op grote schaal wordt ingezet.
Kilometers grafeen maken
Dit probleem van grootschalige productie is wat de onderzoekers in het eerder genoemde artikel beweren gedeeltelijk te hebben opgelost.
De publicatie van de onderzoekers “beschrijft het eerste succesvolle protocol voor het vervaardigen van defectvrije grafeenfolies op commerciële schaal”.
De methode die in het wetenschappelijke artikel wordt uitgelegd kan worden gebruikt om grafeenfolies te maken met lengtes variërend van meters tot kilometers.
Zelfs in een laboratoriumomgeving die niet is ontworpen voor massaproductie, slaagden ze erin een 200 meter lange grafeenfolie te maken met een dikte van 17 micrometer.
Deze folie is ook opmerkelijk resistent en bleek een hoge elektrische geleidbaarheid te behouden, zelfs na meer dan 100.000 buigingen.
Dus kan veilig worden aangenomen dat het mogelijk zal zijn om het in flexibele elektronica, industriële productie en andere toepassingen te gebruiken waar grafeen wordt ingezet om krachtige stromen te leveren.
Wat kunnen grafeenfolies doen?
Lithium‑ionbatterijen zijn kwetsbaar voor een belangrijk risico, genaamd thermische runaway. Dit gebeurt wanneer overtollige warmte zich ophoopt in een deel van de batterij, wat vaak leidt tot batterijfalen met gevaarlijke branden of explosies.
Dit probleem is een van de belangrijkste redenen waarom veel onderzoekers en batterijbedrijven verder kijken dan lithium‑ion met alternatieve chemieën zoals natrium‑ion. Veel alternatieve oplossingen worden onderzocht, bijvoorbeeld gel‑elektrolyten.
Thermische runaway gebeurt meestal bij de stroomverzamelaars van de batterij, waar de meeste energie geconcentreerd is. In huidige lithium‑ionbatterijen zijn stroomverzamelaars meestal gemaakt van aluminium of koper.
De grafeenstroomverzamelaars ontwikkeld door het onderzoek met hun grafeenfolie kunnen een thermische geleidbaarheid vertonen van maar liefst 1.400,8 W m−1 K−1. Ter referentie: dit is bijna 10 keer hoger dan stroomverzamelaars op basis van koper en aluminium.
Implicatie voor lithium‑ionbatterijen
Omdat de grafeenfolie een zeer snelle warmteafvoer vertoont, elimineert het het risico van lokale warmteconcentratie wanneer de stroom loopt.
Op zijn beurt verwijdert dit de risico’s van aluminothermische en waterstof‑evolutiereacties, die kritieke stappen zijn die leiden tot de voortplanting van batterijfalen en brandgevaar.
“Onze dichte, uitgelijnde grafeenstructuur biedt een robuuste barrière tegen de vorming van brandbare gassen en voorkomt dat zuurstof de batterijcellen binnendringt, wat cruciaal is om catastrofale falen te vermijden,”
Dr Jinlong Yang, co‑lead auteur
Misschien nog belangrijker is dat de methode al bewezen is inzetbaar te zijn bij massaproductie van de grafeenfolie. Dus kan het snel worden geïntegreerd in bestaande batterijproductieprocessen.
“Dit is een belangrijke stap voorwaarts voor batterijtechnologie. Onze methode maakt de productie van grafeenstroomverzamelaars mogelijk op een schaal en kwaliteit die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in commerciële batterijproductie. Dit verbetert niet alleen de veiligheid van batterijen door efficiënt warmte te beheren, maar verhoogt ook de energiedichtheid en levensduur.”
Dr Rui Tan, co‑lead auteur
Toekomst van grafeenfolie‑toepassingen
De onderzoekers zoeken al naar manieren om de dikte van de grafeenfolies te verminderen en hun mechanische eigenschappen verder te verbeteren.
Ze onderzoeken ook hoe de grafeenfolie kan helpen bij het ontwerpen van betere flow‑batterijen en natrium‑ionbatterijen, in samenwerking met een ander onderzoeksteam aan de Swansea University, onder leiding van Prof. Serena Margodonna.
We hebben eerder honingraat‑lithium‑ionbatterijen besproken die het risico op batterijfalen door dendrietgroei wegnemen. Als thermische runaway ook kan worden onderdrukt dankzij grafeenfolie, zou dit lithium‑ionbatterijen veel veiliger en duurzamer kunnen maken dan de huidige versie.
Bron: Chemistry Europe
Dit volgt over het algemeen het patroon van de meeste innovaties in één niche van batterijtechnologie die bruikbaar worden in andere ontwerpen, waardoor de snelle vooruitgang van de industrie wordt gestimuleerd.
(U kunt ook meer leren over batterijtechnologie in onze artikelen “De toekomst van mobiliteit – batterijtechnologie” en “De toekomst van energieopslag – grootschalige batterijen technologie”.)
Investeren in batterijtechnologie
Lithium‑ionbatterijen hebben de wereld al meerdere keren veranderd, van het mogelijk maken dat mensen overal geavanceerde elektronica kunnen dragen tot het aandrijven van auto’s uitsluitend met elektriciteit.
Ze zouden dit nog eens kunnen doen, of andere soorten batterijen, door een 100 % hernieuwbaar stroomnet mogelijk te maken of door vliegtuig‑elektrificatie mogelijk te maken wanneer een voldoende hoge energiedichtheid wordt bereikt.
U kunt investeren in bedrijven die gerelateerd zijn aan batterijen via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en ook vele andere landen.
Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke batterijbedrijven, kunt u ook kijken naar batterij‑ETF’s zoals Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), of de WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de groeiende batterijindustrie.
Of u kunt onze artikelen “Top 10 batterij‑aandelen om in te investeren” en “Top 10 batterij‑metalen & duurzame energie‑mijnbouwaandelen” bekijken.
Batterijbedrijven
1. Veeco
VECO Prijsgrafiek
Veeco is sinds de oprichting in 1945 een belangrijke leverancier van apparatuur aan de halfgeleiderproductie‑industrie. Zijn machines worden gebruikt bij de productie van geavanceerde EUV‑chipfabricage, 5G‑antennes, harde schijven, LIDAR, LED’s, vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, enz.
Bron: Veeco
De belangrijkste technologische focus van het bedrijf is hetzelfde CVD‑proces dat wordt gebruikt voor de productie van borofeen en sommige grafeen, of meer precies, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).
Bron: Veeco
Als leider in dit niche‑segment van de halfgeleiderindustrie zou Veeco een goede kandidaat kunnen zijn om in te zetten op de groei van meer CVD‑toepassingen.
Zo’n groei zou kunnen voortvloeien uit het toenemende gebruik van grafeen, wolfraam en borofeen, nu we steeds beter worden in het manipuleren van materie op atomair niveau. Dit omvat grafeen‑dunne films, maar ook potentiële grafeen‑halfgeleiders, supergeleiders, enz.
Het zal waarschijnlijk ook profiteren van de enorme trends van digitalisering, AI en elektrificatie, ongeacht of het massaal 2D‑materialen gebruikt of niet.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG is een grafeenproducent die zich heeft gericht op al bewezen grafeen‑gebaseerde producten zoals hittecoatings en smeermiddelen.
Dit maakt GMG een goede optie voor investeerders die directe blootstelling aan de grafeenmarkt zoeken en een bedrijf dat al actief is in de massaproductie van grafeen en het verbeteren van de huidige productiemethode.
Bron: GMG
Enkele verdere toepassingen zouden de creatie van grafeen‑halfgeleiders kunnen zijn (zie “Grafeen‑halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”), of zelfs supergeleiders op kamertemperatuur. Grafeen‑coating zou ook kunnen worden gebruikt in batterijen en voor waterstof‑drukvaten.
Bron: GMG
GMG produceert zijn grafeen uit methaan + waterstof, wat verschilt van de meeste concurrenten, die het produceren uit natuurlijke grafietafzettingen. Dit maakt hogere zuiverheid, meer schaalbaarheid en goedkope productie mogelijk.
Het bedrijf lanceerde in 2023 zijn eerste productiefaciliteit in Australië, met een productiecapaciteit van tot 1 miljoen liter hitte‑uitwisselaarcoating per jaar.
De volgende stap voor het bedrijf zal hun batterijtechnologie zijn op basis van grafeen‑aluminium‑ion, met een energiedichtheid van 290 Wh/kg, 60 keer sneller opladen dan lithium‑ionbatterijen, 3 keer de levensduur van de batterij, en een beter brandgevaarprofiel.
Bron: GMG
Deze intrede in de batterijommarkt kan een grote gok zijn voor GMG, maar geeft het ook een uniek perspectief op de toekomstige markt die zich kan openen voor grafeen, inclusief in elektrische voertuigen en andere energie‑gerelateerde toepassingen.
