Förbättra litiumjonbatterier: Ny grafen‑teknik har tio gånger högre värmeledningsförmåga än nuvarande lösningar

Grafen & Batterier

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose upptäckt belönades med ett Nobelpris i kemi 2019.

Ett sådant alternativ är batterier som använder grafen.

Det beror på att grafen är ett “mirakelmaterial”, bestående av ett enda lager kolatomer. Detta ger den extraordinära elektriska egenskaper. Vi förklarade mer om grafen, samt andra “2D‑material” som borofen och guldene i “2D‑material, som grafen, öppnar nya fronter inom materialvetenskap”.

Elektriska egenskaper är inte de enda egenskaper som gör grafen exceptionell. Den är också anmärkningsvärd för sin värmeledningsförmåga, vilket gör att den kan överföra värme extremt snabbt.

Källa: GMG

Denna termiska egenskap kan visa sig vara transformerande för batteriteknik och, paradoxalt nog, kan grafen hjälpa till att hålla litiumjonbatterier som den dominerande batteritekniken över alternativa kemier, inklusive grafenbaserade batterier.

Detta kan ske tack vare en upptäckt av forskare vid Swansea University (UK), i samarbete med Wuhan University of Technology och Shenzhen University (Kina). De presenterade sina resultat i en vetenskaplig artikel publicerad i Nature Chemical Engineering under titeln “Storskaliga strömuppsamlingar för reglering av värmeöverföring och förbättrad batterisäkerhet”.

Grafenbegränsningar

På papperet är grafen ett mirakelmaterial som bör revolutionera många industrier, från batteritillverkning till allt som använder elektricitet, inklusive datorer och solpaneler, och även betong och nanorobotar i vårt blodomlopp.

I praktiken lider grafen av några begränsningar:

• Tillverkning i skala: Scotch‑tejp applicerad på en grafitbit var tillräckligt för att upptäcka grafen. Men mycket mer komplexa metoder som Chemical Vapor Deposition (CVD) krävs för massproduktion.
• Kostnader: De flesta produktionsmetoder och tillämpningar på befintliga enheter är mestadels småskalig eller skräddarsydd, och 2D‑material har förblivit ganska dyra. Det faktiska priset kan variera kraftigt beroende på renhet, med exempelvis grafen som ligger mellan $20‑2 000/kg.

Naturligtvis är de två problemen kopplade, eftersom den lilla produktionsskalan ökar kostnaderna. Hittills har det kraftigt hindrat massadoptionen av grafen, vilket gör att de flesta löften om detta material fortfarande är ouppfyllda, trots att det upptäcktes för 20 år sedan år 2004.

Förmågan att producera grafenbaserat material i stora volymer är nyckeln till både att minska kostnaderna och möjliggöra industriella tillämpningar.

Detta är ett rent tillverknings- och teknologiskt problem, eftersom grafen består av kol, ett rikligt och billigt material. Så den lider inte av problemet med sällsynta material, som till exempel vätgasproducerande katalysatorer som använder sällsynta metaller som platina eller palladium.

Som sådan har grafen potentialen att verkligen revolutionera våra energisystem, utan att stöta på begränsningar från resursutarmning när den används i stor skala.

Tillverkning av kilometer av grafen

Detta problem med storskalig produktion är vad forskarna i den tidigare nämnda artikeln påstår att de delvis har löst.

Forskarens publikation “detaljerar det första framgångsrika protokollet för att tillverka defektfria grafenfolier i kommersiell skala”.

Metoden som förklaras i den vetenskapliga artikeln kan användas för att skapa grafenfolier i längder från meter till kilometer.

Även i en laboratoriemiljö som inte är avsedd för massproduktion lyckades de skapa en 200 meter lång grafenfolie med en tjocklek på 17 mikrometer.

Denna folie är också anmärkningsvärt hållbar och visade sig behålla hög elektrisk ledningsförmåga även efter att ha böjts över 100 000 gånger.

Så det kan med säkerhet antas att det kommer att vara möjligt att använda den i flexibla elektronik, industriell tillverkning och andra tillämpningar där grafen används för att leverera kraftfulla strömmar.

Vad kan grafenfolier göra?

Litiumjonbatterier är utsatta för en viktig risk, kallad termisk rusning. Detta sker när överdriven värme samlas i en del av batteriet, vilket ofta leder till batterifel med farliga bränder eller explosioner.

Detta problem är en av de viktigaste anledningarna till att många forskare och batteriföretag ser bortom litiumjon med alternativa kemier som natriumjon. Många alternativa lösningar utforskas, till exempel gel‑elektrolyter.

Termisk rusning sker mestadels vid batteriets strömuppsamlingar, där den största kraften är koncentrerad. I nuvarande litiumjonbatterier är strömuppsamlingarna vanligtvis gjorda av aluminium eller koppar.

De grafenströmuppsamlingar som utvecklats av forskarna med deras grafenfolie kan uppvisa en värmeledningsförmåga så hög som 1 400,8 W m⁻¹ K⁻¹. För jämförelse är detta nästan 10 × högre än koppar- och aluminiumbaserade strömuppsamlingar.

Källa: Nature Chemical Engineering

 Implikation för litiumjonbatterier

Eftersom grafenfolien visar en mycket snabb värmeavledning eliminerar den risken för lokal värmeansamling när strömmen flyter.

I sin tur tar detta bort riskerna för aluminoterma och väteutvecklingsreaktioner som är de kritiska stegen som leder till spridning av batterifel och brandrisk.

“Vår täta, inriktade grafenstruktur ger ett robust hinder mot bildning av brandfarliga gaser och förhindrar att syre tränger in i battericellerna, vilket är avgörande för att undvika katastrofala fel,”

Dr Jinlong Yang, medförfattare

Kanske ännu viktigare är att metoden redan har bevisats vara möjlig att använda i massproduktion av grafenfolien. Så den kan snabbt integreras i befintliga batteritillverkningsprocesser.

“Detta är ett betydande steg framåt för batteriteknik. Vår metod möjliggör produktion av grafenströmuppsamlingar i en skala och kvalitet som enkelt kan integreras i kommersiell batteritillverkning. Detta förbättrar inte bara batterisäkerheten genom effektiv värmehantering utan ökar även energitätheten och livslängden.”

Dr Rui Tan, medförfattare

Framtiden för grafenfolieapplikationer

Forskarna tittar redan på sätt att minska tjockleken på grafenfolierna och ytterligare förbättra deras mekaniska egenskaper.

De undersöker också hur grafenfolien kan hjälpa till att designa bättre flödesbatterier och natriumjonbatterier, i samarbete med ett annat forskarlag vid Swansea University, under Prof. Serena Margodonnas ledning.

Vi har tidigare diskuterat honungskombinations‑litiumjonbatterier som eliminerar risken för batterifel på grund av dendrittillväxt. Om termisk rusning också kan undertryckas tack vare grafenfolien, kan detta göra litiumjonbatterier mycket säkrare och mer hållbara än den nuvarande versionen.

Källa: Chemistry Europe

Detta följer i stort sett mönstret att de flesta innovationer inom en nisch av batteriteknik blir användbara i andra konstruktioner, vilket hjälper till att driva den snabba utvecklingen i branschen.

(Du kan också lära dig mer om batteriteknik i våra artiklar “The Future of Mobility – Battery Tech” och “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Investera i batteriteknik

Litiumjonbatterier har redan förändrat världen flera gånger, från att möjliggöra att människor kan bära avancerad elektronik överallt till att driva bilar enbart med elektricitet.

De kan fortfarande göra det igen, eller andra typer av batterier, genom att möjliggöra ett 100 % förnybart elnät eller möjliggöra flygelektrifiering när en tillräckligt hög energitäthet uppnås.

Du kan investera i batterirelaterade företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika batteriföretag kan du också titta på batteri‑ETF:er som Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X:s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), eller WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), som ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av den växande batteribranschen.

Eller så kan du läsa våra artiklar “Top 10 Battery Stocks To Invest In” och “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.

Batteriföretag

1. Veeco

Veeco har varit en stor leverantör av utrustning till halvledartillverkningsindustrin sedan grundandet 1945. Dess maskiner används för att producera avancerade EUV‑chip, 5G‑antenner, hårddiskar, LIDAR, LED‑lampor, kraftelektronik för elbilar med mera.

Källa: Veeco

Företagets huvudteknologiska fokus är samma CVD‑process som används för borofen och viss grafenproduktion, eller mer exakt, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Källa: Veeco

Som ledare inom detta nischsegment av halvledarindustrin kan Veeco vara en bra kandidat att satsa på ökningen av fler CVD‑applikationer.

En sådan tillväxt kan härröra från den ökande användningen av grafen, volfram och borofen, i takt med att vi blir bättre på att manipulera materia på atomnivå. Detta inkluderar tunna grafenfilmer, men även potentiella grafen‑semiconductorer, supraledare med mera.

Det kommer sannolikt också att gynnas av de massiva trenderna inom digitalisering, AI och elektrifiering, oavsett om det i stor utsträckning använder 2D‑material eller inte.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG är en grafenproducent som har fokuserat sitt produktsortiment på redan demonstrerade grafenbaserade produkter som värmebeläggning och smörjmedel.

Detta gör GMG till ett bra alternativ för investerare som söker direkt exponering mot grafenmarknaden och ett företag som redan är aktivt i massproduktion av grafen och förbättring av den nuvarande produktionsmetoden.

Källa: GMG

Vissa ytterligare tillämpningar kan vara skapandet av grafen‑semiconductorer (se “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), eller till och med rumstemperatursupraledare. Grafenbeläggning kan också användas i batterier och för vätgastryckkärlsteknik.

Källa: GMG

GMG producerar sin grafen från metan + väte, vilket skiljer sig från de flesta konkurrenter som producerar den från naturliga grafitavlagringar. Detta möjliggör högre renhet, större skalbarhet och lågkostnadsproduktion.

Företaget lanserade sin första produktionsanläggning i Australien 2023, med upp till 1 miljon liter produktion av värmeväxlingsbeläggning per år.

Nästa steg för företaget blir deras batteriteknik baserad på grafen‑aluminiumjon, med en energitäthet på 290 Wh/kg, 60 × snabbare laddning än litiumjonbatterier, 3 × batteriets livslängd och en bättre brandriskprofil.

Källa: GMG

Detta inträde på batterimarknaden kan vara en stor risk för GMG, men ger också företaget ett unikt perspektiv på den framtida marknad som kan öppnas för grafen, inklusive i elbilar och andra kraftrelaterade tillämpningar.