Графенът беше първият двуизмерен материал в света. По-здрав от стомана, по-проводим от мед, гъвкав и прозрачен, графеновите свойства завладяват въображението на мнозина след изолацията му през 2004 г.
Благодарение на разнообразните свойства на графена, той се поддава на множество приложения от композити и покрития, филтриране на вода, сензори, електроника и биомедицински приложения.
Графенът има много голяма повърхностна площ и има най-високата теоретична електрическа проводимост от всеки познат материал и като такъв би изглеждал идеалният кандидат за подобряване на устройствата за съхранение на енергия като батериите и суперкондензаторите.
За да се възползват от многото свойства на графена, Манчестърският университет инвестира в новия иновационен център Graphene Engineering (GEIC), многомилионен център с фокус върху увеличаване на мащаба към индустриалните приложения на графена. Проектите в рамките на GEIC се водят с търговска цел в партньорство с учени.
Бъдещите батерии идват, но къде е графена?
Отдавна не е постигнат значителен пробив в производителността на батериите, след като в края на 70-те години на миналия век са открити литиевите батерии (LiBs), които използват електрическите превозни средства. Подобренията в LiBs, които са направени оттогава, са по-инкрементни и са водени от консорциуми като този между Tesla Motors и Panasonic, което води до подобрения от ~ 30% (в гамата от превозни средства) след излизането на Tesla Roadster през 2008 г.
Графенът трябва да може да добави още към тази история, тъй като има много голяма повърхностна площ и има най-високата теоретична електрическа проводимост сред всеки материал. Като такъв, той би изглеждал идеалният кандидат за подобряване на устройства за съхранение на енергия, като например батерии и суперкондензатори. Въпреки някои твърдения за ранно навлизане на пазара на батерии (Skeleton, G-King), не е ясно къде са направени предимствата на добавянето на графен.
Причината за бавното навлизане на пазара може да се дължи на по-ниските ползи на отношението цена / производителност, тъй като очевидните ползи от добавянето на графен не са реализирани, след като се опита мащаббно производство след лабораторни процеси. Процесите на търговски мащаби включват полагане на мокър филм (съдържащ графен), сушене и календариране (раздробяване) на филмите в електроди. Този процес започва да кара графена да се държи по-скоро като неговото насипно производно – графит; намалява очакваното въздействие върху производителността и затруднява с допълнителните разходи за материали на търговска основа.
Чрез достъпа до енергийното съоръжение в GEIC може да се въведат множество форми за формулиране, процеси и инженерни решения, които по-добре дават възможност да се направи графенова батерия или суперкондензатор. Всъщност наскоро беше започнато сътрудничество между университета и партньора на GEIC Tier 1 ( First Graphene Ltd ), което ще разгледа мащабите на процесите, разработени от проф. Робърт Драйф и проф. Ian Kinloch, които ще създадат форма на графен, която се надяваме да преодолее някои от тези проблеми чрез проект, фокусиращ се върху увеличаването както на производството на материали, така и на производството на суперкондензатори за мащабни клетки.
Графенът може също така да бъде използван, за да даде възможност за други перспективни технологии на батериите, като силиций и литиева сяра чрез капсулиране на нестабилни материали, подобряване на дълготрайността на тези вълнуващи технологии до ниво, приемливо да ги направи търговски жизнеспособни и ако успее да позволи на електрифицирано бъдеще да бъде по-лесно да се осъзнае.
Отвъд графена.
Графен е само първият от многото еднопластови двуизмерни материали. Някои от тези други материали са показали обещаващи резултати в устройствата за съхранение на енергия. По-специално скорошната работа на групи, ръководени от проф. Сара Хай и д-р Сюлен Барг в университета, се съсредоточи върху използването на MXene материали, които са направени от привидно мащабируеми процеси. Тези групи вече са изработили работещи суперкондензатори и батерии, базирани на тези материали тук, в UoM.
Други материали като 2D преходни металодихалогениди, преходни метални оксиди и преходни метални хидриди също показват голямо обещание за използване в модерни технологии за съхранение на енергия и можем също да видим усвояването на тези материали в началото на следващите няколко години, като се вписват добре в пътните карти на амбициозни програми като тези на Фарадейския институт и Faraday Challenge.
Думи на д-р Крейг Доусън, мениджър на приложения, Инженерния център Graphene Engineering