Bedre litiumionbatterier: Ny grafenfolie gir høy varmeledningsevne

Grafen og batterier

Batteriteknologien utvikler seg raskt, og mange alternative kjemier utfordrer litiumionbatteriene. Utviklingen av litiumionbatteriet ble belønnet med Nobelprisen i kjemi i 2019.

En tilnærming er å bruke grafen i batterier, enten som del av en ny kjemi eller som et materiale som forbedrer eksisterende batterier.

Grafen består av ett enkelt lag karbonatomer og har uvanlige elektriske egenskaper. Vi forklarer mer om grafen og andre todimensjonale materialer, som borofen og goldene, i artikkelen «Todimensjonale materialer som grafen åpner nye muligheter i materialvitenskapen».

Grafen skiller seg ikke bare ut elektrisk. Materialet kan også lede varme svært effektivt og dermed spre varme raskt.

Kilde: GMG

Denne egenskapen kan få betydning for batteriteknologien. Grafen kan faktisk bidra til å forbedre litiumionbatterier, samtidig som det også undersøkes i alternative batterikjemier. «Grafenbatteri» betegner ikke én bestemt kjemi.

Forskere ved Swansea University i Storbritannia, sammen med Wuhan University of Technology og Shenzhen University i Kina, presenterte et slikt fremskritt i Nature Chemical Engineering. Studien har tittelen «Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety» og undersøker strømkollektorer som forbedrer varmetransporten og batterisikkerheten.

Begrensninger ved grafen

Grafen har potensielle bruksområder i mange næringer, fra batterier til datamaskiner og solceller, samt betong og mer langsiktige medisinske konsepter. Forskningen på grafenbaserte løsninger og mulige helseeffekter viser samtidig hvorfor slike anvendelser må vurderes hver for seg. Nanoroboter i blodet er ikke en etablert anvendelse.

I praksis finnes flere utfordringer:

• Produksjon i stor skala: Grafen ble isolert fra grafitt ved hjelp av teip. Industriell fremstilling krever andre prosesser, for eksempel kjemisk dampavsetning, CVD, eller ulike metoder for eksfoliering. CVD er altså ikke den eneste muligheten.
• Kostnader: Mange produksjonsmetoder og anvendelser har fortsatt begrenset skala eller krever spesialtilpasning. Prisen varierer kraftig med blant annet kvalitet og produktform; det historiske eksemplet i den lenkede oversikten angir $20–2 000 per kilo. Dette er ikke én pris som gjelder alle grafenprodukter.

Utfordringene henger sammen: liten produksjonsskala kan øke kostnadene. Dette har begrenset bred innføring, selv om det i 2024 var gått omtrent tjue år siden isoleringen av grafen i 2004. Mange forventede anvendelser var fortsatt under utvikling.

Evnen til å fremstille store mengder grafenbasert materiale er viktig både for lavere kostnader og for industrielle bruksområder.

Karbon er vanlig, så grafen er ikke avhengig av sjeldne edelmetaller på samme måte som enkelte katalysatorer med platina eller palladium. Likevel krever produksjonen energi, innsatsvarer og kvalitetskontroll; karbonets tilgjengelighet løser ikke alle kostnads- og miljøutfordringer.

Grafen kan derfor bidra til nye energiløsninger med en annen råvareprofil, men storstilt bruk må fortsatt vurderes ut fra produksjon, ressursbruk og miljøpåvirkning.

Grafenfolie i lange baner

Den nevnte studien presenterer et fremskritt mot større produksjonsskala.

Forskerne beskriver en prosess for å fremstille sammenhengende grafenbasert folie i en skala som kan være relevant for industriell produksjon. Folien består av sammenstilte grafenlag og er ikke ett atomlag tykk.

Metoden er utviklet med tanke på kontinuerlige folier, fra meter til mulige kilometerlange baner.

I forsøket produserte forskerne en 200 meter lang folie med en tykkelse på 17 mikrometer. Dette er en demonstrasjon av prosessen, ikke dokumentasjon på at kilometerlange kommersielle produkter allerede var i salg.

Folien beholdt høy elektrisk ledningsevne etter mer enn 100 000 bøyninger i testene.

Resultatene tyder på muligheter innen fleksibel elektronikk og andre anvendelser som krever ledende, bøyelige materialer. Hver anvendelse vil likevel kreve egne tester og tilpasning.

Hva kan grafenfolie gjøre?

En viktig risiko i litiumionbatterier er termisk løpsk reaksjon, der varmeutviklingen blir selvforsterkende. Dette kan skade batteriet og i alvorlige tilfeller føre til brann eller eksplosjon.

Sikkerhetsutfordringen er en av grunnene til at forskere undersøker andre batterikjemier, som natriumionbatterier, og forbedringer av eksisterende celler, blant annet gelelektrolytter.

Strømkollektorer leder strøm til og fra elektrodene og lages vanligvis av aluminium eller kobber. De påvirker også varmefordelingen. Termisk løpsk reaksjon kan imidlertid utløses av flere mekanismer i cellen og oppstår ikke utelukkende eller nødvendigvis først i strømkollektorene.

De grafenbaserte strømkollektorene oppnådde en varmeledningsevne på opptil 1 400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Dette var høyt i den undersøkte folien, men kan ikke generelt beskrives som ti ganger høyere enn all kobber- og aluminiumsfolie; forholdet avhenger av materialkvalitet, tykkelse, måleretning og referansen som brukes.

Kilde: Nature Chemical Engineering

Betydning for litiumionbatterier

Den raske varmespredningen kan redusere lokale varmepunkter når strømmen går gjennom batteriet. Forsøkene dokumenterer ikke at alle mulige varmeproblemer eller brannfarer er eliminert.

Strukturen kan også begrense reaksjoner som bidrar til farlig varme- og gassutvikling, blant annet aluminotermiske reaksjoner og hydrogenutvikling i relevante feilscenarioer.

«Den tette, orienterte grafenstrukturen vår danner en barriere som motvirker dannelsen av brennbare gasser og inntrenging av oksygen i battericellene. Dette er viktig for å unngå alvorlige feil»,

forklarte Jinlong Yang, en av studiens ledende forfattere.

Produksjonsforsøket tyder dessuten på at folien kan fremstilles i større skala. Innføring i eksisterende batterifabrikker vil fortsatt kreve kvalifisering, kostnadsvurdering og dokumentasjon av ytelse og sikkerhet.

«Dette er et viktig fremskritt for batteriteknologien. Metoden vår gjør det mulig å produsere grafenstrømkollektorer i en skala og kvalitet som kan passe inn i kommersiell batteriproduksjon. Bedre varmestyring kan forbedre sikkerheten og bidra til høyere energitetthet og lengre levetid»,

sa Rui Tan, en av studiens ledende forfattere.

Fremtidige anvendelser av grafenfolie

Forskerne arbeider videre med å gjøre foliene tynnere og forbedre de mekaniske egenskapene.

De undersøker også muligheter innen strømningsbatterier og natriumionbatterier sammen med en annen gruppe ved Swansea University, ledet av professor Serena Margadonna.

Vi har tidligere omtalt litiumionbatterier med bikakelignende strukturer som undersøkes for bedre ytelse og stabilitet. Slike strukturer fjerner ikke automatisk all risiko for dendritter. Kombinert med bedre varmestyring kan materialutviklingen likevel bidra til sikrere og mer holdbare batterier.

Kilde: Chemistry Europe

Dette illustrerer hvordan fremskritt i én del av batteriteknologien kan overføres til andre konstruksjoner og bidra til utviklingen i bransjen.

(Du kan lese mer i artiklene «Fremtidens mobilitet – batteriteknologi» og «Fremtidens energilagring – batteriteknologi for strømnettet».)

Investering i batteriteknologi

Litiumionbatterier har gjort det mulig å ta med avansert elektronikk overalt og å drive biler med elektrisitet alene.

Litiumionbatterier og andre lagringsteknologier kan også bidra til strømnett med mer fornybar energi. Høyere energitetthet kan åpne for flere elektriske luftfartøy, men kravene til rekkevidde, vekt og sikkerhet er strenge.

Du kan investere i batterirelaterte selskaper gjennom ulike meglere. På securities.io finner du våre meglergjennomganger for USA, Canada, Australia, Storbritannia og mange andre land.

Hvis du ønsker bredere eksponering enn enkeltaksjer, finnes fond som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global Xs Lithium & Battery Tech ETF (LIT) og WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF. Disse gir eksponering mot ulike deler av batteriverdikjeden.

Se også artiklene «Ti batteriaksjer å undersøke» og «Ti aksjer innen batterimetaller og gruvedrift for fornybar energi».

Batterirelaterte selskaper

1. Veeco

Veeco har levert utstyr til halvlederindustrien siden etableringen i 1945. Utstyret brukes blant annet i produksjonsprosesser for avanserte brikker, 5G-komponenter, harddisker, lidar, lysdioder og kraftelektronikk til elbiler.

Kilde: Veeco

Et av selskapets teknologiområder er metallorganisk kjemisk dampavsetning, MOCVD. Dette er en variant av CVD for vekst av bestemte materialer, men selskapet har også andre prosessverktøy. At CVD kan brukes til enkelte todimensjonale materialer betyr ikke at alle disse fremstilles med Veecos MOCVD-utstyr.

Kilde: Veeco

Veecos posisjon i prosessutstyr kan gjøre selskapet relevant dersom etterspørselen etter aktuelle avsetningsmetoder øker.

Mulige drivere omfatter nye materialer og bedre kontroll på produksjon i atomskala, blant annet grafenfilmer og andre todimensjonale strukturer. Slike muligheter er ikke dokumentasjon på at Veeco allerede har kommersielle inntekter fra alle de nevnte anvendelsene.

Digitalisering, kunstig intelligens og elektrifisering kan også øke etterspørselen etter halvlederutstyr, uavhengig av hvor raskt todimensjonale materialer tas i bruk.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Graphene Manufacturing Group, GMG, produserer grafen og har utviklet produkter som varmeoverføringsbelegg og smøremidler.

Selskapet kan derfor være relevant for investorer som ønsker direkte eksponering mot grafenproduksjon og videreutvikling av produksjonsmetoder. Den kommersielle utviklingen avhenger blant annet av volum, kundegodkjenning og kostnader.

Kilde: GMG

Andre forskningsområder omfatter grafenhalvledere, omtalt i «Grafenhalvledere – er de endelig her?», og superledning i spesielle grafenstrukturer ved svært lave temperaturer. Den lenkede MIT-studien dokumenterer ikke superledning ved romtemperatur. Grafenbaserte belegg undersøkes også for batterier og hydrogentanker.

Kilde: GMG

GMGs prosess spalter metan til grafen og hydrogen; hydrogen er altså et produkt, ikke nødvendigvis et ekstra råstoff. Mange andre produsenter bruker grafittbaserte metoder. Selskapet fremhever renhet, skalerbarhet og kostnader som mulige fordeler, men disse må vurderes i faktisk drift.

I 2023 åpnet selskapet et australsk produksjonsanlegg for varmevekslerbelegg med oppgitt kapasitet på opptil én million liter i året. Dette er kapasitet for beleggsproduktet, ikke én million liter rent grafen eller dokumentert årlig salg.

GMG utviklet også grafen-aluminiumionbatterier. I presentasjoner ble det vist til anslag på opptil 290 Wh/kg, opptil 60 ganger raskere lading og tre ganger lengre levetid enn utvalgte litiumionreferanser, samt potensielle sikkerhetsfordeler. Tallene var knyttet til tidlige celleforsøk og beregninger og var ikke samlet dokumentert ytelse for et ferdig, kommersielt pouchbatteri.

Kilde: GMG

Batterisatsingen innebærer betydelig utviklings- og kommersiell risiko for GMG, men kan også åpne nye markeder for grafen, inkludert energilagring og mulige kjøretøyrelaterte anvendelser.