Grafeeni ja paristot
Grafeeni, hiiliatomien levy, joka on sidottu yhteen hunajakennolla, tunnetaan valtavasti "ihmemateriaalina" sen sisältämien lukemattomien hämmästyttävien ominaisuuksien vuoksi. Se on voimakas sähkö- ja lämpöenergian johde, erittäin kevyt kemiallisesti inertti ja joustava suurella pinta-alalla. Sitä pidetään myös ympäristöystävällisenä ja kestävänä, ja sillä on rajattomat mahdollisuudet useisiin sovelluksiin.
Grafeeniakkujen edut
Akkujen alalla tavanomaiset akkuelektrodimateriaalit (ja mahdolliset) paranevat merkittävästi, kun niitä parannetaan grafeenilla. Grafeeniakku voi olla kevyt, kestävä ja sopiva suuren kapasiteetin energian varastointiin sekä lyhentää latausaikoja. Se pidentää akun käyttöikää, mikä on negatiivisesti sidoksissa materiaaliin pinnoitetun tai elektrodeihin lisätyn hiilen määrään johtavuuden saavuttamiseksi, ja grafeeni lisää johtavuutta vaatimatta tavanomaisissa akuissa käytettyjä hiilimääriä.
Grafeeni voi parantaa akun ominaisuuksia, kuten energiatiheyttä ja muotoa, eri tavoin. Li-ion-akkuja (ja muun tyyppisiä ladattavia akkuja) voidaan parantaa lisäämällä grafeenia akun anodiin ja hyödyntämällä materiaalin johtavuutta ja suuren pinta-alan ominaisuuksia morfologisen optimoinnin ja suorituskyvyn saavuttamiseksi.
On myös havaittu, että hybridimateriaalien luominen voi olla hyödyllistä myös akun tehostamisessa. Vanadiinioksidin (VO2) ja grafeenia voidaan käyttää esimerkiksi Li-ion katodeissa ja ne takaavat nopean latauksen ja purkauksen sekä pitkän latausjakson kestävyyden. Tässä tapauksessa VO2 tarjoaa korkean energiakapasiteetin mutta huonon sähkönjohtavuuden, mikä voidaan ratkaista käyttämällä grafeenia eräänlaisena rakenteellisena "selkärankana", johon VO kiinnitetään2 – luodaan hybridimateriaali, jolla on sekä korkeampi kapasiteetti että erinomainen johtavuus.
Toinen esimerkki on LFP (Lithium Iron Phosphate) -akut, joka on eräänlainen ladattava Li-ion-akku. Sen energiatiheys on pienempi kuin muilla Li-ion-akuilla, mutta korkeampi tehotiheys (osoitin nopeudesta, jolla akku voi toimittaa energiaa). LFP-katodien tehostaminen grafeenilla mahdollisti akkujen olevan kevyitä, latautuvat paljon nopeammin kuin Li-ion-akut ja niiden kapasiteetti on suurempi kuin perinteiset LFP-akut.
Akkumarkkinoiden mullistamisen lisäksi grafeeniakkujen ja grafeenin yhdistetty käyttö superkondensaattorit voi tuottaa uskomattomia tuloksia, kuten tunnettu konsepti parantaa sähköauton ajomatkaa ja tehokkuutta. Vaikka grafeeniakut eivät ole vielä saavuttaneet laajaa kaupallistamista, akkujen läpimurroista raportoidaan ympäri maailmaa.
Akun perusasiat
Akut toimivat mobiilina virtalähteenä, jolloin sähkökäyttöiset laitteet voivat toimia ilman, että ne kytketään suoraan pistorasiaan. Vaikka on olemassa monenlaisia akkuja, niiden toiminnan peruskonsepti on samanlainen: yksi tai useampi sähkökemiallinen kenno muuntaa varastoidun kemiallisen energian sähköenergiaksi. Akku on yleensä valmistettu metalli- tai muovikotelosta, joka sisältää positiivisen navan (anodi), negatiivisen navan (katodi) ja elektrolyyttejä, jotka mahdollistavat ionien liikkumisen niiden välillä. Erotin (läpäisevä polymeerikalvo) muodostaa esteen anodin ja katodin väliin sähköisten oikosulkujen estämiseksi ja mahdollistaa samalla ionivarauksen kantajien kuljettamisen, joita tarvitaan piirin sulkemiseen virran kulun aikana. Lopuksi keräilijää käytetään lataamaan akun ulkopuolella liitetyn laitteen kautta.
Kun piiri kahden napojen välillä on valmis, akku tuottaa sähköä useiden reaktioiden kautta. Anodissa tapahtuu hapetusreaktio, jossa kaksi tai useampi elektrolyytin ioni yhdistyy anodin kanssa muodostaen yhdisteen, joka vapauttaa elektroneja. Samalla katodi käy läpi pelkistysreaktion, jossa katodiaine, ionit ja vapaat elektronit yhdistyvät yhdisteiksi. Yksinkertaisesti sanottuna anodireaktio tuottaa elektroneja, kun taas katodissa oleva reaktio absorboi ne ja tästä prosessista syntyy sähköä. Akku jatkaa sähkön tuotantoa, kunnes elektrodeista loppuu reaktioiden synnyttämiseen tarvittava aine.
Akkutyypit ja -ominaisuudet
Paristot on jaettu kahteen päätyyppiin: ensisijaiseen ja toissijaiseen. Ensisijaiset akut (kertakäyttöiset) käytetään kerran ja ne muuttuvat hyödyttömiksi, koska niissä olevat elektrodimateriaalit muuttuvat peruuttamattomasti latauksen aikana. Yleisiä esimerkkejä ovat sinkki-hiiliakku sekä leluissa, taskulampuissa ja monissa kannettavissa laitteissa käytettävä alkaliparisto. Toissijaiset akut (ladattavat), voidaan purkaa ja ladata useita kertoja, koska elektrodien alkuperäinen koostumus pystyy palauttamaan toiminnallisuuden. Esimerkkejä ovat ajoneuvoissa käytettävät lyijyakut ja kannettavassa elektroniikassa käytettävät litiumioniakut.
Paristoja on eri muotoisia ja kokoisia lukemattomiin eri tarkoituksiin. Erilaisilla akuilla on erilaisia etuja ja haittoja. Nikkelikadmium (NiCd) -akut ovat suhteellisen alhaisia energiatiheyksissä, ja niitä käytetään, kun pitkä käyttöikä, korkea purkautumisnopeus ja taloudellinen hinta ovat tärkeitä. Niitä löytyy muun muassa videokameroista ja sähkötyökaluista. NiCd-akut sisältävät myrkyllisiä metalleja ja ovat ympäristöystävällisiä. Nikkelimetallihydridiakuilla on korkeampi energiatiheys kuin NiCd-akuilla, mutta myös lyhyempi käyttöikä. Sovelluksia ovat matkapuhelimet ja kannettavat tietokoneet. Lyijyakut ovat raskaita ja niillä on tärkeä rooli suurissa tehosovelluksissa, joissa paino ei ole tärkeintä, mutta taloudellinen hinta on. Ne ovat yleisiä sellaisissa käyttötarkoituksissa kuin sairaalalaitteet ja hätävalaistus.
Litium-Ion (Li-ion) -akkuja käytetään, kun korkea energia ja pieni paino ovat tärkeitä, mutta tekniikka on hauras ja turvapiiriä tarvitaan turvallisuuden takaamiseksi. Sovelluksia ovat matkapuhelimet ja erilaiset tietokoneet. Litium-ionipolymeeriakkuja (Li-ion-polymeeri) löytyy enimmäkseen matkapuhelimista. Ne ovat kevyitä ja ne ovat ohuempia kuin Li-ion-akut. Ne ovat myös yleensä turvallisempia ja niillä on pidempi käyttöikä. Ne näyttävät kuitenkin olevan vähemmän yleisiä, koska Li-ion-akut ovat halvempia valmistaa ja niillä on korkeampi energiatiheys.
Akut ja superkondensaattorit
Vaikka tietyt akut pystyvät varastoimaan suuren määrän energiaa, ne ovat erittäin suuria, raskaita ja vapauttavat energiaa hitaasti. Kondensaattorit toisaalta pystyvät lataamaan ja purkamaan nopeasti, mutta sisältävät paljon vähemmän energiaa kuin akku. Grafeenin käyttö tällä alueella tarjoaa kuitenkin jännittäviä uusia mahdollisuuksia energian varastointiin korkealla lataus- ja purkunopeudella ja jopa edullisella hinnalla. Grafeenilla parannettu suorituskyky hämärtää siten perinteisen eron superkondensaattorit ja paristot.
Grafeeniakut yhdistävät sekä akkujen että superkondensaattorien edut
Grafeenilla tehostetut akut ovat melkein täällä
Grafeenipohjaisilla akuilla on jännittävää potentiaalia, ja vaikka niitä ei ole vielä täysin kaupallisesti saatavilla, T&K on intensiivistä ja toivottavasti tuottaa tuloksia tulevaisuudessa. Yritykset kaikkialla maailmassa (mukaan lukien Samsung, Huawei ja muut) kehittävät erilaisia grafeenitehosteisia akkuja, joista osa on nyt tulossa markkinoille. Tärkeimmät sovellukset ovat sähköajoneuvoissa ja mobiililaitteissa.
Jotkut akut käyttävät grafeenia oheistavoilla – ei akkukemiassa. Esimerkiksi vuonna 2016 Huawei julkisti uuden grafeenitehosteisen Li-Ion-akun joka käyttää grafeenia pysyäkseen toimintakykyisenä korkeammissa lämpötiloissa (60° astetta nykyisen 50° rajan sijaan) ja tarjoaa kaksinkertaisen käyttöajan. Tässä akussa käytetään grafeenia parempaan lämmönpoistoon – se laskee akun käyttölämpötilaa 5 astetta.
Lähde: Grafeeniakut: Johdanto ja markkinauutisia | Grafeeni-info
