Superbatterij van grafeen en water

Een combinatie van twee ‘gewone’ materialen – grafiet en water – kan energie-opslagsystemen opleveren die evenveel energie opslaan als lithium-ion batterijen, maar worden opgeladen in een aantal seconden en een bijna eeuwige levensduur hebben. Eindelijk de doorbraak waar we al jaren op wachten?

Grafeen: overvloedig voorkomend materiaal

De komst van miljoenen goed opgeleide en begaafde Chinese wetenschappers geeft onderzoek en ontwikkeling een nog zelden eerder vertoonde boost. In hoog tempo krijgt de nieuwe fossielvrije economie vorm. Dr Dan Li van de vakgroep Materiaalkunde van Monash University en zijn onderzoeksgroep deden onderzoek naar grafeen, een materiaal dat al veel records heeft gebroken. Grafeen lijkt op zeshoekig kippengaas, waarbij de knooppunten uit koolstofatomen bestaan. Grafeen is extreem sterk, geleidt uitstekend elektriciteit, chemisch stabiel, heeft omdat het uit atoom-dikke laagjes bestaat uiteraard een enorm specifiek oppervlak en bestaat uit koolstof, dat op aarde overvloedig voorkomt.
“Zodra we het materiaal goed kunnen bewerken, kan elektronica, de iPhone bijvoorbeeld, in slechts enkele seconden of misschien zelfs sneller worden opgeladen,” aldus Dr. Li.

Grafeen is geen exotisch nanomateriaal. Grafiet, waar de punt van zeer zachte potloden volledig uit bestaat, bestaat volledig uit laagjes grafeen, die van elkaar af schilferen als je met het potlood schrijft. Grafiet is erg goedkoop: een kilo grafiet kost minder dan twee euro. Kwaliteiten die -met de bijzondere materiaaleigenschappen – grafiet zeer geschikt maken voor het opslaan van energie, aldus Li.

Water lost kleef-probleem op
De reden dat grafeen nog niet overal wordt toegepast is dat laagjes grafeen, zodra ze elkaar raken, de neiging hebben aan elkaar te gaan kleven zoals in grafiet gebeurt, aldus Li. Als de laagjes zich weer opnieuw stapelen, gaat alle oppervlakte verloren en gedraagt het zich niet meer als grafeen. Dr. Li en zijn team hebben nu het geheim ontdekt om de opmerkelijke eigenschappen van laagjes grafeen te behouden: water. Grafeen vochtig houden – in gelvorm – zorgt voor afstotende krachten tussen de grafeenlagen en voorkomt dat ze weer aan elkaar gaan kleven. Hiermee wordt grafeen gebruiksklaar om in de echte wereld toe te passen. De techniek is erg simpel en kan makkelijk worden opgeschaald, aldus Li. “Toen we het ontdekten, konden we onze ogen niet geloven. We nemen twee algemene, goedkope materialen – water en grafiet – en maken dit nieuwe nanomateriaal met verbazingwekkende eigenschappen,” aldus Li.

Grafeen-gel verslaat de huidige koolstof-gebaseerde technologie met stukken, zowel wat betreft de hoeveelheid lading die opgeslagen wordt als de snelheid waarmee de ladingen kunnen worden afgeleverd[2]. Energieopslag is het voornaamste technische probleem wat betreft duurzame energie. Volgens de weinig bescheiden Dr Li zou dit wel eens de doorbraak kunnen zijn die het massaal invoeren van elektrische voertuigen en alternatieve energiebronnen in het algemeen mogelijk maakt.

Grafeen-gel is ook zeer interessant om in waterzuiveringsmembranen te gebruiken, in biomedische apparatuur en sensoren. Het kippengaas laat namelijk alleen kleine moleculen door[3].

Record nu op 0,130 kWh per kg, benadert lithium ion

Onderzoek van het Gwangju Institute of Science and Technology in Zuid-Korea, bereikt ondertussen dichtheden van 0,130 kWh per kg materiaal. Dat komt redelijk in de buurt van een gemiddelde Li-ion of LiFePO4-accu die rond de 200-500 Wh per kg zit. Het gaat hier natuurlijk om een laboratoriumopstelling op zeer kleine schaal. De praktijk leert dat het vaak lastig is om dit op te schalen naar het niveau van een accu. Maar niet fysisch onmogelijk. Een of meerdere doorbraken die dit op de schaal van een EV-accu zouden brengen, zouden het mogelijk maken zeer snel te laden, zelfs sneller dan benzine tanken.

Bronnen
1. Graphite + water = the future of energy storage, Monash University (2011)
2. Yang, X. W., Zhu, J. W., Qiu, L. & Li, D*. Bio-inspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: Towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials (2011)
3. Qiu, L., Zhang, X. H., Yang, W. R., Wang, Y. F., Simon, G. P. & Li, D. Controllable corrugation of chemically converted graphene sheets in water and potential application for nanofiltration. Chemical Communications (2011)
4. Wu Lu et al., Nanoporous graphene materials by low-temperature vacuum-assisted thermal process for electrochemical energy storage, Journal of Power SourcesVolume 284, 2015