Skladování energie věnuje grafen, fascinující látka uznávaná pro své výjimečné vlastnosti, velkou pozornost. Díky potenciálu nahradit tradiční lithium-iontové baterie bateriemi s delší životností, rychlejším dobíjením a vyšší bezpečností by grafenové baterie mohly zcela změnit způsob napájení našich přístrojů. V této eseji se budeme zabývat výrobou grafenové baterie, jejími součástmi, cenou, obtížemi a potenciální náhradou lithia grafenem.
Získání prvotřídních grafenových listů je prvním krokem k vytvoření grafenové baterie. Atomy uhlíku jsou uspořádány v jedné vrstvě, zvané grafen, v hexagonální mřížce. K vytvoření těchto listů lze použít několik technik, například chemické napařování (CVD), epitaxní růst a exfoliaci z grafitu. Proces CVD, který zahrnuje řízenou depozici atomů uhlíku na substrát, je široce používán. Touto metodou lze vytvořit tlusté souvislé vrstvy grafenu.
Po získání grafenových listů je třeba je spojit dohromady a vytvořit z nich elektrody. Anoda a katoda, které uchovávají a uvolňují energii během cyklů nabíjení a vybíjení, jsou rozhodujícími částmi baterie. Elektrickou vodivost a povrch elektrody lze zlepšit přidáním grafenu jako vodivého přídavku. Pro zvýšení výkonu baterie lze také použít další aktivní látky, jako je síra nebo fosforečnan lithno-železitý.
Dále se k elektrodám přidává elektrolyt, který slouží jako kanál pro transport iontů mezi anodou a katodou. Ačkoli se pro grafenové baterie zkoumají elektrolyty v pevné fázi, aby se vyřešily obavy o bezpečnost, běžné lithium-iontové baterie používají kapalné elektrolyty. Elektrolyty v pevné fázi jsou ideální pro systémy skladování energie příští generace, protože mají vyšší hustotu energie, vyšší tepelnou stabilitu a nižší riziko úniku.
Sestavení elektrod a elektrolytu do plného článku je poslední fází při vytváření grafenové baterie. Pro nabíjení a vybíjení je článek často umístěn v ochranném pouzdře a propojen s externími svorkami. Součástí výrobního procesu může být integrovaný systém řízení baterie (BMS), který sleduje výkon baterie a zajišťuje její bezpečné a efektivní používání.
Nyní si řekneme něco o ceně výroby grafenové baterie. Vysoce kvalitní grafen se v současné době vyrábí za vysokou cenu, což má vliv na celou cenu grafenové baterie. Do budoucna se však očekává snížení nákladů díky probíhajícímu výzkumu a zdokonalování metod výroby grafenu. Kromě toho dlouhodobé výhody grafenových baterií, jako je jejich vyšší výkon a životnost, mohou kompenzovat náklady na prvotní pořízení.
Grafenové baterie mohou přinášet výhody, avšak v současné době pro ně existuje jen málo aplikací. Jedním z hlavních problémů je zvýšení výroby, aby se uspokojila poptávka na trhu. Pro začlenění grafenu do současných výrobních procesů baterií je nutné další zdokonalení. Pro zajištění spolehlivého a dlouhodobého výkonu je také nutné řádně vyhodnotit stabilitu a bezpečnost grafenových baterií.
A poslední otázka: Může být lithium v bateriích nahrazeno grafenem? Přestože grafenové baterie mají řadu výhod, nepředpokládá se, že by zcela nahradily lithium. Lithium je snadno dostupné, má spolehlivou výrobní infrastrukturu a v průběhu času prošlo značným výzkumem a optimalizací. Grafen však může zvýšit kapacitu lithium-iontových baterií pro ukládání energie, účinnost nabíjení a bezpečnostní prvky.
Nakonec se syntetizují vysoce kvalitní grafenové listy, sestaví se z nich elektrody, zkombinují se s elektrolytem a sestaví se z nich celý článek, čímž se vytvoří grafenová baterie. Přestože náklady na výrobu grafenu jsou stále problémem, současný výzkum a vývoj slibují snížení nákladů. Rozšíření výroby, začlenění grafenu do současných výrobních procesů a zaručení stability a bezpečnosti jsou překážkami pro široké využití grafenových baterií. I když grafen nemusí zcela nahradit lithium, může zlepšit lithium-iontové baterie a pomoci při vytváření účinnějších a ekologičtějších technologií skladování energie.
Ve skutečnosti lze grafen vytvořit doma jednoduchým postupem známým jako „exfoliační metoda“. Při této technice se pomocí lepicí pásky opakovaně odlupují vrstvy grafitu, jako jsou tužky. Vrstvy lze odlupovat jednu po druhé, dokud nevznikne jednovrstvý grafen. Je však třeba mít na paměti, že kvalita a čistota grafenu vyrobeného tímto postupem nemusí být tak vysoká jako u grafenu vyrobeného v laboratorních podmínkách pomocí sofistikovanějších metod.
Cena 1 kg grafenu se může měnit v závislosti na řadě proměnných, včetně jeho kvality, výrobního procesu a zdroje. V současné době však může gram vysoce kvalitního grafenu stát od 500 do 1 000 dolarů. V důsledku toho se odhaduje, že 1 kilogram grafenu bude stát mezi 500 000 a 1 000 000 USD. Ačkoli je grafen stále poměrně drahým materiálem, neustálý výzkum a zdokonalování výrobních postupů by nakonec mohly vést ke snížení jeho ceny.