Μια νέα ανακάλυψη στο γραφένιο φέρνει επανάσταση στην αποθήκευση ισχύος

Μια τεχνολογική ανατροπή που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο τροφοδοτούμε τα ηλεκτρικά οχήματα, τα δίκτυα ενέργειας και τις προσωπικές ηλεκτρονικές συσκευές έρχεται από την Αυστραλία. Μηχανικοί του Monash University ανακοίνωσαν ότι ανέπτυξαν ένα νέο είδος υλικού βασισμένου στο γραφένιο, το οποίο φαίνεται να λύνει έναν από τους σημαντικότερους περιορισμούς των υπερπυκνωτών: την αδυναμία να συγκρατήσουν μεγάλα αποθέματα ενέργειας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στο Nature Communications, η νέα αυτή προσέγγιση επιτρέπει στους υπερπυκνωτές να αποθηκεύουν ενέργεια σε επίπεδα συγκρίσιμα με συμβατικές μπαταρίες, ενώ ταυτόχρονα φορτίζουν και αποδίδουν ισχύ πολύ ταχύτερα.

Οι υπερπυκνωτές, σε αντίθεση με τις μπαταρίες, δεν βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις αλλά στην αποθήκευση ηλεκτροστατικού φορτίου. Το μεγάλο τους πλεονέκτημα ήταν ανέκαθεν ο γρήγορος χρόνος φόρτισης, όμως το τίμημα ήταν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, άρα και μικρότερη αυτονομία. Για χρόνια η επιστημονική κοινότητα προσπαθούσε να επεκτείνει τον πραγματικά αξιοποιήσιμο χώρο της επιφάνειας του άνθρακα, το κρίσιμο σημείο που καθορίζει πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί. Αυτή ακριβώς την αδυναμία έρχεται τώρα να απαντήσει το Monash University.

Ο καθηγητής Mainak Majumder, διευθυντής του ARC Research Hub for Advanced Manufacturing with 2D Materials (AM2D) και μέλος της ερευνητικής ομάδας, εξηγεί ότι το “κλειδί” ήταν μια διαφορετική θερμική επεξεργασία του υλικού. Όπως τονίζει, μέσω αυτής της τροποποίησης ανοίγεται μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας, δημιουργώντας έναν πιο προσβάσιμο χώρο για ιόντα και ενισχύοντας δραματικά τη συνολική αποθηκευτική δυνατότητα. Με λίγα λόγια, οι υπερπυκνωτές μπορούν πλέον όχι μόνο να φορτίζουν γρήγορα αλλά και να αποθηκεύουν πολλή ενέργεια — κάτι που παλαιότερα απαιτούσε την ύπαρξη μπαταριών.

Το πραγματικό άλμα προέρχεται από μια νέα αρχιτεκτονική υλικού που ονομάζεται πολυκλιμακωτό μειωμένο οξείδιο γραφενίου (M-rGO). Κατασκευασμένο από φυσικό γραφίτη, ένα άφθονο πόρο στην Αυστραλία, το M-rGO προκύπτει από μια διαδικασία γρήγορης θερμικής ανόπτησης, η οποία δημιουργεί ένα ιδιαίτερα καμπυλωτό δίκτυο γραφενίου με καθορισμένα “μονοπάτια” για την κίνηση των ιόντων. Αυτός ο σχεδιασμός δεν είναι απλώς πιο αποδοτικός — επιτρέπει ταυτόχρονη επίτευξη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και υψηλής πυκνότητας ισχύος, ένας συνδυασμός που αποφεύγει συνήθως τη συμβίωση στο ίδιο σύστημα αποθήκευσης.

Οι επιδόσεις των συσκευών που κατασκευάστηκαν με αυτό το νέο υλικό δεν αφήνουν περιθώρια αμφισβήτησης. Ο Dr. Petar Jovanović από το ARC AM2D Hub αναφέρει ότι σε πραγματικές pouch cell συσκευές οι υπερπυκνωτές του Monash πέτυχαν ενεργειακή πυκνότητα έως 99.5 Wh/L και πυκνότητα ισχύος μέχρι 69.2 kW/L. Επιπλέον, παρουσίασαν εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση και μεγάλη ανθεκτικότητα στον κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης, κάτι που είναι κρίσιμο για εφαρμογές όπως τα ηλεκτρικά οχήματα ή οι σταθμοί φόρτισης όπου η αξιοπιστία είναι παράγοντας-κλειδί.

Το επόμενο βήμα είναι η εμπορική αξιοποίηση και, όπως φαίνεται, η διαδικασία έχει ήδη ξεκινήσει. Ο Dr. Phillip Aitchison, CTO της Ionic Industries — spin-out εταιρεία του Monash University και συν-συγγραφέας της μελέτης — επιβεβαιώνει ότι η εταιρεία παράγει ήδη εμπορικές ποσότητες του νέου γραφενίου. Και δεν μένει εκεί: συνεργάζεται με βιομηχανικούς παίκτες της ενέργειας για την ανάπτυξη προϊόντων όπου απαιτούνται υψηλή αποθήκευση ενέργειας και άμεση παροχή ισχύος, όπως ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα γρήγορης φόρτισης, φορητές συσκευές υψηλής κατανάλωσης και υποδομές στήριξης ηλεκτρικών δικτύων.

Με την υποστήριξη του Australian Research Council και του US Air Force Office of Sponsored Research, η ερευνητική ομάδα ευθυγραμμίζεται με έναν μεγαλύτερο στόχο: τη μετάβαση σε λύσεις ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Η συγκεκριμένη ανακάλυψη δείχνει ότι η πορεία προς ένα μέλλον με γρηγορότερη φόρτιση, μεγαλύτερη αυτονομία και μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα ίσως να είναι ήδη σε εξέλιξη.

Αν οι υπερπυκνωτές με γραφένιο καταφέρουν να μπουν μαζικά στην αγορά, ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με την ενέργεια ίσως να αλλάξει πολύ πιο γρήγορα απ’ όσο πιστεύουμε. Από ηλεκτρικά αυτοκίνητα που φορτίζουν σε λίγα λεπτά μέχρι smartphones που “γεμίζουν” σε χρόνο αναπνοής, η τεχνολογία που κάποιοι θεωρούσαν υποσχόμενη αλλά μακρινή φαίνεται πως βρίσκεται πλέον στα χέρια των μηχανικών και σιγά σιγά στις πόρτες της αγοράς.