Pagpapahusay ng mga Lithium-Ion Battery: Ang Bagong Teknolohiyang Graphene ay May Thermal Conductivity na 10 Beses na Mas Mataas kaysa sa Kasalukuyang Solusyon

Graphene at mga Baterya

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.

Isa sa mga alternatibong ito ay mga baterya na gumagamit ng graphene.

Ito ay dahil ang graphene ay isang “kahanga-hangang materyal”, na binubuo ng isang solong patong ng mga atom ng carbon. Ito ay nagbibigay dito ng pambihirang katangiang elektrikal. Ipinaliwanag pa namin ang higit pa tungkol sa graphene, pati na rin sa iba pang “2D materials” tulad ng borophene at goldene sa “2D Materials, Like Graphene, Open New Frontiers In Material Sciences”.

Ang mga katangiang elektrikal ay hindi lamang ang nagtatangi sa graphene. Kamangha-mangha rin ito sa kanyang thermal conductivity, na nagbibigay kakayahang maglipat ng init nang napakabilis.

Pinagmulan: GMG

Ang katangiang thermal na ito ay maaaring magdala ng malaking pagbabago sa teknolohiya ng baterya at, sa kabila nito, maaaring makatulong ang graphene na panatilihin ang mga lithium-ion na baterya bilang namumunong teknolohiya ng baterya laban sa mga alternatibong kimika, kabilang ang mga bateryang batay sa graphene.

Maaari itong mangyari dahil sa isang pagtuklas ng mga mananaliksik sa Swansea University (UK), kasama ang Wuhan University of Technology at Shenzhen University (China). Ibinahagi nila ang kanilang mga resulta sa isang siyentipikong papel na inilathala sa Nature Chemical Engineering sa pamagat na “Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”.

Mga Limitasyon ng Graphene

Sa papel, ang graphene ay isang kahanga-hangang materyal na dapat magpabago sa maraming industriya, mula sa paggawa ng baterya hanggang sa anumang gumagamit ng kuryente, kasama ang mga computer at solar panel, at maging sa konkreto at nanorobots sa ating daloy ng dugo.

Sa praktika, ang graphene ay may ilang limitasyon:

• Paggawa sa malakihang sukat: Ang paglalagay ng Scotch tape sa isang piraso ng grapayt ay sapat na para matuklasan ang graphene. Ngunit mas kumplikadong mga pamamaraan tulad ng Chemical Vapor Deposition (CVD) ang kinakailangan para sa mass production.
• Gastos: karamihan sa mga paraan ng produksyon at aplikasyon sa umiiral na mga aparato ay kadalasang maliit na sukat o pasadyang, at ang mga 2D material ay nananatiling medyo mahal. Ang aktwal na presyo ay maaaring malaki ang pagkakaiba depende sa kalinisan, halimbawa ang graphene ay nagkakahalaga mula $20-2,000/kg.

Syempre, ang dalawang problemang ito ay magkaugnay, dahil ang maliit na sukat ng produksyon ang nagpapataas ng gastos. Sa ngayon, ito ay lubhang humahadlang sa mass adoption ng graphene, na nag-iiwan sa karamihan ng mga pangako ng materyal na ito na hindi pa natutupad, sa kabila ng pagkakatuklas nito 20 taon na ang nakalipas noong 2004.

Ang kakayahang makagawa ng graphene-based na materyal sa malalaking dami ay susi sa parehong pagpapababa ng gastos at pagpapahintulot ng mga aplikasyon sa industriyal na sukat.

Ito ay purong isyu ng paggawa at teknolohiya, dahil ang graphene ay gawa sa carbon, isang sagana at murang materyal. Kaya hindi ito nagkakaroon ng problema ng mga bihirang materyales tulad ng halimbawa ng mga catalyst na gumagawa ng hydrogen na gumagamit ng mga bihirang metal tulad ng platinum o palladium.

Bilang gayon, ang graphene ay may potensyal na tunay na baguhin ang ating mga sistema ng enerhiya, nang hindi nahaharap sa limitasyon mula sa pagkaubos ng mga mapagkukunan kapag inilunsad nang malawakan.

Paggawa ng mga Kilometer ng Graphene

Ang isyung ito ng malakihang produksyon ay kung ano ang sinasabing bahagyang nalutas ng mga mananaliksik sa nabanggit na papel.

Ang publikasyon ng mga mananaliksik na “detalye ng unang matagumpay na protocol para sa paggawa ng defect-free na graphene foils sa komersyal na sukat”.

Ang metodong ipinaliwanag sa siyentipikong papel ay maaaring gamitin upang lumikha ng graphene foils na may haba mula metro hanggang kilometro.

Kahit sa isang laboratory setting na hindi dinisenyo para sa mass production, nagawa nilang lumikha ng 200-metrong mahabang graphene foil na may kapal na 17 micrometer.

Ang foil na ito ay kamangha-manghang matibay at napatunayan na nagpapanatili ng mataas na electrical conductivity kahit na nabend nang higit sa 100,000 beses.

Kaya maaaring ligtas na ipalagay na magiging posible itong ilagay sa flexible electronics, industriyal na paggawa, at iba pang aplikasyon kung saan ginagamit ang graphene upang maghatid ng malalakas na kuryente.

Ano ang Kayang Gawin ng mga Graphene Foil?

Ang mga lithium-ion na baterya ay madaling maapektuhan ng isang pangunahing panganib, na tinatawag na thermal runaway. Nangyayari ito kapag labis na init ang naipon sa isang bahagi ng baterya, na kadalasang nagreresulta sa pagkabigo ng baterya na may mapanganib na sunog o pagsabog.

Ang isyung ito ay isa sa mga pangunahing dahilan kung bakit maraming mananaliksik at kumpanya ng baterya ang naghahanap ng mga alternatibo sa lithium-ion tulad ng sodium-ion. Maraming alternatibong solusyon ang sinusuri, halimbawa, gel electrolytes.

Kadalasang nangyayari ang thermal runaway sa mga current collector ng baterya, kung saan nakatuon ang pinakamaraming kapangyarihan. Sa kasalukuyang mga lithium-ion na baterya, ang mga current collector ay karaniwang gawa sa aluminyo o tanso.

Ang mga graphene current collector na binuo ng pananaliksik gamit ang kanilang graphene foil ay maaaring magpakita ng thermal conductivity na kasing taas ng 1,400.8 W m⁻¹ K⁻¹. Bilang sanggunian, ito ay halos 10 beses na mas mataas kaysa sa mga copper at aluminum-based na current collector.

Pinagmulan: Nature Chemical Engineering

 Implikasyon Para sa mga Lithium-Ion Battery

Dahil ang graphene foil ay nagpapakita ng napakabilis na paglabas ng init, inaalis nito ang panganib ng lokal na konsentrasyon ng init kapag dumadaloy ang kuryente.

Sa gayo’y tinatanggal nito ang mga panganib ng aluminothermic at hydrogen-evolution reactions na kritikal na hakbang patungo sa paglaganap ng pagkabigo ng baterya at panganib ng sunog.

“Ang aming dense, aligned na istruktura ng graphene ay nagbibigay ng matibay na harang laban sa pagbuo ng mga nasusunog na gas at pumipigil sa oxygen na makapasok sa mga selula ng baterya, na mahalaga para maiwasan ang mapaminsalang pagkabigo,”

Dr Jinlong Yang, co-lead author

Marahil mas mahalaga, napatunayan na ang metodo ay maaaring ilapat sa mass manufacturing ng graphene foil. Kaya maaari itong mabilis na maisama sa umiiral na mga proseso ng paggawa ng baterya.

“Ito ay isang mahalagang hakbang pasulong para sa teknolohiya ng baterya. Ang aming metodo ay nagbibigay-daan sa produksyon ng graphene current collectors sa sukat at kalidad na maaaring madaling maisama sa komersyal na paggawa ng baterya. Hindi lamang nito pinapabuti ang kaligtasan ng baterya sa pamamagitan ng epektibong pamamahala ng init kundi pinapataas din ang energy density at longevity.”

Dr Rui Tan, co-lead author

Hinaharap ng mga Aplikasyon ng Graphene Foil

Ang mga mananaliksik ay kasalukuyang naghahanap ng mga paraan upang bawasan ang kapal ng mga graphene foil at higit pang pagbutihin ang kanilang mekanikal na katangian.

Tinitingnan din nila kung paano makakatulong ang graphene foil sa pagdidisenyo ng mas mahusay na flow batteries at sodium-ion batteries, kasama ang isa pang research team sa Swansea University, sa ilalim ng pamumuno ni Pr. Serena Margodonna.

Dati naming tinalakay ang honeycomb lithium-ion batteries na nag-aalis ng panganib ng pagkabigo ng baterya mula sa paglago ng dendrite. Kung ang thermal runaway ay maaaring mapigil din dahil sa graphene foil, maaaring gawing mas ligtas at matibay ang mga lithium-ion na baterya kaysa sa kasalukuyang bersyon.

Pinagmulan: Chemistry Europe

Ang kabuuang ito ay sumusunod sa pattern ng karamihan sa mga inobasyon sa isang niche ng teknolohiya ng baterya na magagamit sa iba pang disenyo, na tumutulong sa mabilis na pag-unlad ng industriya.

(Maaari ka ring matuto nang higit pa tungkol sa teknolohiya ng baterya sa aming mga artikulo “Ang Hinaharap ng Mobilidad – Battery Tech” at “Ang Hinaharap ng Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Pag-iinvest sa Teknolohiyang Baterya

Ang mga lithium-ion na baterya ay nagbago na ng ilang ulit ang mundo, mula sa pagpapahintulot sa mga tao na magdala ng advanced na elektronik sa kahit saan hanggang sa pagpapagana ng mga sasakyan gamit lamang ang kuryente.

Maaaring magawa pa nila ito muli, o iba pang uri ng baterya, sa pamamagitan ng pagpayag sa 100% renewable power grid o pag-electrify ng mga eroplano kapag naabot ang sapat na energy density.

Maaari kang mag-invest sa mga kumpanyang may kinalaman sa baterya sa pamamagitan ng maraming broker, at dito, sa securities.io, makikita mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at pati na rin sa maraming ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng partikular na mga kumpanya ng baterya, maaari ka ring tumingin sa mga battery ETF tulad ng Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), o ang WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa lumalaking industriya ng baterya.

O maaari mong tingnan ang aming mga artikulo “Top 10 Battery Stocks To Invest In” at “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.

Mga Kumpanya ng Baterya

1. Veeco

Ang Veeco ay naging pangunahing supplier ng kagamitan sa industriya ng paggawa ng semiconductor mula nang itatag ito noong 1945. Ang mga makina nito ay ginagamit sa paggawa ng advanced EUV chip, 5G antennas, hard drives, LIDAR, LEDs, power electronics para sa mga EV, atbp.

Pinagmulan: Veeco

Ang pangunahing teknolohikal na pokus ng kumpanya ay ang parehong proseso ng CVD na ginagamit para sa borophene at ilang produksyon ng graphene, o mas tiyak, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).

Pinagmulan: Veeco

Bilang lider sa segmentong ito ng industriya ng semiconductors, maaaring maging magandang kandidato ang Veeco upang tumaya sa pagtaas ng mas maraming aplikasyon ng CVD.

Ang ganitong paglago ay maaaring magmula sa lumalawak na paggamit ng graphene, tungsten, at borophene, habang patuloy tayong nagiging mas mahusay sa pagmanipula ng materyal sa antas ng atom. Kasama rito ang graphene thin film, pati na rin ang potensyal na graphene semiconductors, superconductors, atbp.

Malamang na makinabang din ito mula sa malawak na trend ng digitalization, AI, at electrification, kahit na ito ay malawak na gumagamit ng 2D materials o hindi.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

Ang GMG ay isang tagagawa ng graphene na nagtuon ng kanilang alok ng produkto sa mga napatunayang graphene-based na produkto tulad ng heat coating at lubricants.

Ginagawa nitong magandang opsyon ang GMG para sa mga mamumuhunan na naghahanap ng direktang exposure sa merkado ng graphene at isang kumpanyang aktibo na sa mass-production ng graphene at pagpapabuti ng kasalukuyang paraan ng produksyon.

Pinagmulan: GMG

Ang ilang karagdagang aplikasyon ay maaaring ang paglikha ng graphene semiconductors (tingnan ang “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o kahit room-temperature superconductors. Ang graphene coating ay maaari ring magamit sa mga baterya at para sa mga teknolohiya ng hydrogen pressure vessel.

Pinagmulan: GMG

Ang GMG ay gumagawa ng graphene mula sa methane + hydrogen, na naiiba sa karamihan ng kanilang mga kakompetensya, na gumagawa nito mula sa natural na deposito ng grapayt. Pinapayagan nito ang mas mataas na puridad, mas malaking scalability, at mababang gastos sa produksyon.

Inilunsad ng kumpanya ang kanilang unang pasilidad ng produksyon sa Australia noong 2023, na may kapasidad na hanggang 1 milyong litro ng produksyon ng heat exchanger coating bawat taon.

Ang susunod na hakbang para sa kumpanya ay ang kanilang teknolohiya ng baterya na batay sa graphene aluminum ion, na may density na 290 Wh/kg, 60 beses na mas mabilis na pag-charge kaysa sa lithium-ion na baterya, 3 beses na mas mahabang buhay ng baterya, at mas mahusay na fire hazard profile.

Pinagmulan: GMG

Ang pagpasok na ito sa merkado ng baterya ay maaaring malaking pustahan para sa GMG, ngunit nagbibigay din ito ng natatanging pananaw sa hinaharap na merkado na maaaring buksan para sa graphene, kabilang ang sa EV at iba pang mga aplikasyon na may kinalaman sa enerhiya.