Ključne poruke i brzi uvid
  • Grafen je prvi poznati 2D materijal, sačinjen od samo jednog sloja atoma ugljenika poređanih u heksagonalnu rešetku (oblik pčelinjeg saća).
  • Dodavanje grafena u baterijske elektrode drastično smanjuje unutrašnji otpor i poboljšava hlađenje, omogućavajući ultra-brzo punjenje bez pregrevanja.
  • Trenutno, čiste 'grafenske baterije' ne postoje u masovnoj proizvodnji; grafen se koristi uglavnom kao superprovodni aditiv u litijum-jonskim ćelijama.

Uvod u "Čudesni Materijal" (Wonder Material) 21. veka

Zamislite materijal koji je sto puta čvršći od najboljeg industrijskog čelika, savršeno transparentan (proziran), izuzetno fleksibilan, a pritom provodi toplotu i elektricitet bolje od najčistijeg bakra i srebra. Ovaj materijal nije deo naučne fantastike – on postoji i zove se grafen.

Njegovo otkriće 2004. godine na Univerzitetu u Mančesteru (za šta su naučnici Andre Geim i Konstantin Novoselov dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2010. godine) predstavljalo je apsolutnu revoluciju u fizici čvrstog stanja i nauci o materijalima. U osnovi, grafen je najjednostavniji i prvi ikada izolovani dvodimenzionalni (2D) materijal u univerzumu. Sastoji se od jednog jedinog sloja atoma ugljenika, strogo i pravilno raspoređenih u obliku 2D heksagonalne kristalne rešetke koja vizuelno podseća na najfinije pčelinje saće.

Kada fizičari i inženjeri počnu da primenjuju ovaj magični provodni tepih od atoma na oblast tehnologije skladištenja energije (baterije), oni ne traže samo prosto poboljšanje (Inkrementalni napredak); oni jure sveti gral – bateriju koja može primiti megavate struje za punjenje (samo nekoliko sekundi stajanja na punjaču), držeći uređaj hladnim, a potom izdržavši na desetine hiljada ciklusa (trajavši duže nego sam vlasnik tog telefona ili automobila). U ovom detaljnom pregledu, presecamo komercijalni "Hype" (medijsko napumpavanje) i razmatramo tačne, surove mehanike koje uvode grafen na mala i velika vrata u ćelije na prenosnom trzištu.

Limit trenutnog Litijumskog i Grafitnog mehanizma (Zašto su nam baterije i dalje prespore?)

Da bismo razumeli fenomenalnu snagu Grafena, prvo moramo shvatiti inženjersko usko grlo trenutnog stanja u najboljim Li-Ion / Li-Po baterijama na tržištu.

Moderna 3.7V baterija u pametnom telefonu za svoju anodu ("minus" elektrodu u koju utrčavaju litijumski joni kada noću utaknete struju iz zida) koristi industrijski naslagan sloj – Grafit. Grafit je u suštini takođe sačinjen od atoma ugljenika, ali u formi trodimenzionalnih (3D) debelih nagomilanih blokova ugljeničnih slojeva spojenih izuzetno slabim Van-Der-Waalsovim silama (bukvalno milione naslaganih grafenskih tabli jedne na drugu kao knjiga).

Kada snažan punjač iz zida pokuša agresivno da napuni bateriju, ogromna količina Litijum jona ($Li^+$) trči kroz tečnost (Elektrolit) i pokušava da se "ugura" (izvrši Interkalaciju) između tih tesnih naslaganih slojeva Grafita na anodi. Ovde dolazi do problema brzine punjenja i destrukcije:

  1. Veliki Otpor (Sporo punjenje): Grafit ne dozvoljava brzu i nesmetanu provodljivost. Elektroni i joni moraju da se provlače kroz veoma teške mikroskopske kanale debljih slojeva. Ukoliko napon punjača gurne previše "jak" priliv jona, oni ne stižu da uđu duboko u Grafit!
  2. Plating (Taloženje Metala - Litijumizacija): Umesto da bezbedno uđu izmedju slojeva grafita i tu se stabilizuju, zbog sporosti apsorpcije materijala oni se talože goli i čisti na površini anode kao tvrdi oštri igličasti metalični premaz (Litijum metal Plating) - stvarajući dendrite, i momentalno i trajno uništavajući kapacitet ćelije i podižući ekstremnu, eksplozivnu toplotu!

Upravo iz navedenih razloga ni jedna poštena laboratorija, ma koliko bio jak zidni konvertor tipa $100\text{W}$ Fast-Charge tehnologije, ne sme dozvoliti bateriji punjenje od 0 do 100 posto brže od nekih mučnih pola sata, bez rizika da vlasniku izgori džep (i da baterija preživi više od godinu i po dana).

Rešenje: Grafenska matrica kao Auto-put sa osam traka

Šta se dogodi ukoliko zamenimo onaj zbijeni teški blok grafita sa mikroskopskim, paučinasto-tankim Grafenskim mrežama unutar same negativne ili čak i pozitivne elektrode? Grafen uvodi fenomenalne mehaničke, toplotne i elektronske izmene usled nekoliko magičnih svojstava:

1. Ekstremna, ludačka površinska površina (Specific Surface Area)

2. Balistička Elektronska Provodljivost (Zero Effective Mass)

3. Savršeno, hladno hlađenje

Trenutna tehnološka i Komercijalna ograničenja (Stvarnost 2024. godine)

I pored svih navedenih "Svetih Gral" atributa - moramo priznati jednu surovu inženjersku stvarnost. Čisto "Grafenske baterije" (u kom bi celokupna moć bila skladištena samo unutar grafena na polici) za pametne uređaje još uvek masovno ne postoje na potrošačkim rafovima (često postoje takozvani Superkondenzatori obloženi njime, ali kapacitet držanja je užasan).

Ono što se prodaje i implementira trenutno u prenosnoj sferi (npr. visokotehnološki RC helikopterski Power sistemi, grafenski powerbank uređaji te marke poput novih Kineskih fast-phone gigantskih postrojenja od kompanija kao GAC Group) su takozvane Hibridne (Kompozitne) Li-Ion Baterije poboljšane (Aditivirane) sa grafenom. Pravi proces proizvodnje apsolutno čistog (jednoslojnog, CVD nanesenog) grafena košta astronomski! Zbog ekonomske neopravdanosti, komercijalni inženjeri zapravo pronalaze genijalni kompromis: koriste malo jeftiniji redukovani grafen oksid (rGO) pomešan zajedno sa silicijumom ili razblaženim finim mikroslojevima na katodama, čisto kao vezivni "Armaturni" lepilo u prahu, od npr. oko $2\%$ do $5\%$ kompozicije, samo kako bi znatno ublažili trenja. To već donosi oko $40\%$ nižu toplotu i dozvoljava podizanje garancija trajanja do 3000 dnevnih smart-punjenja.

Kada jeftine mašinske metode obezbede valjak "Roll-To-Roll" jeftinog jednoslojnog nanošenja grafenskih provodnih membrana masovnoj elektronskoj zajednici za manje od deset godina, litijumskim jonskim baterijama konačno ćemo odobriti ulaz u sferu beskompromisnog petominutnog punjenja svih EV (Electric Vehicle) putničkih saobraćaja u garažama na autoputevima preko noći.

Reference i naučni izvori
[1]
Geim, A. K., Novoselov, K. S. (2007). The rise of graphene. Nature Materials. ↩
[2]
Pumera, M. (2011). Graphene-based nanomaterials for energy storage. Energy & Environmental Science. ↩
[3]
Raccichini, R., Varzi, A., Passerini, S., & Scrosati, B. (2014). The role of graphene for electrochemical energy storage. Nature Materials. ↩
Česta pitanja i odgovori
Da li je grafenska baterija bolja od litijum-jonske?

Trenutno se grafen najčešće koristi kao dodatak litijum-jonskim baterijama, čineći ih hibridnim litijum-grafenskim ćelijama. Grafen poboljšava litijum-jonsku tehnologiju povećavajući njenu električnu provodljivost i sprečavajući degradaciju elektroda, što omogućava mnogo brže punjenje i veći broj ciklusa.

Zašto još uvek nemamo pametne telefone koji se pune za nekoliko sekundi uz pomoć grafena?

Iako grafenske anode teoretski mogu da apsorbuju jone fantastičnom brzinom, najveći problem je industrijska proizvodnja čistog 2D grafena u ogromnim količinama, kao i visoka cena proizvodnog procesa. Za sada se u komercijalne baterije dodaje grafenski prah niske čistoće koji ubrzava punjenje na 15-20 minuta, ali nismo dostigli sekunde.

Kako grafen sprečava pregrevanje baterija pri brzom punjenju?

Grafen ima neuporedivo veću toplotnu provodljivost u odnosu na tradicionalni bakar i aluminijum. Dodavanjem grafena u materijal katode i anode, toplota se trenutno i ravnomerno odvodi na kućište, smanjujući takozvane 'hot-spots' (vruće tačke) unutar ćelije koje inače dovode do otkazivanja i požara.

Da li su grafenski superkondenzatori isto što i grafenske baterije?

Ne. Grafenski superkondenzatori (Supercapacitors) drže energiju isključivo statičkim putem na površini grafenskih slojeva i prazne/pune se za par sekundi, ali ne mogu dugo održavati velike količine energije. Baterija, sa druge strane, koristi hemijsku reakciju za skladištenje i isporučuje je tokom nekoliko sati.