¿Qué tan lejos estamos de la era de las baterías de grafeno?
Hace algún tiempo, la sucursal francesa de Huawei publicó un mensaje en Twitter diciendo que la serie de teléfonos móviles Huawei P40 lanzada en la primera mitad del próximo año utilizará baterías de grafeno.
Tan pronto como se conoció la noticia, hubo una ola de grafeno en todo Internet. Todos discutieron sobre la duración de la batería de los teléfonos móviles que usaban baterías de grafeno. Y toda la industria electrónica parece verse afectada con la llegada de la sangre de pollo, todo el mundo espera con ansias la llegada de la era del grafeno.
Pero unas horas más tarde, los funcionarios de Huawei echaron un jarro de agua fría a los consumidores e inversores entusiastas: “El comunicado oficial francés de Huawei en Twitter fue incorrecto y el P40 no está equipado con una batería de grafeno. Aunque se confirmó que se trataba de noticias falsas, las baterías de grafeno no son un término conceptual inventado, sino la dirección en la que están trabajando la mayoría de las empresas de energía de baterías.
Desde el primer automóvil eléctrico práctico en 1884, la gente ha estado haciendo esfuerzos incansables para mejorar la capacidad de la batería. Sin embargo, a juzgar por la cronología del árbol tecnológico, la tecnología de las baterías siempre se ha desarrollado más lentamente que otras tecnologías. Después de la aparición de los teléfonos inteligentes, el impacto de la duración insuficiente de la batería en el uso de teléfonos móviles se ha vuelto cada vez más evidente. Un banco de energía se ha convertido en una carga para todos los usuarios de teléfonos móviles.
Para garantizar una experiencia de usuario normal, los fabricantes de baterías han estado mejorando el proceso de fabricación de las baterías de litio, pero la velocidad de mejora del material de la batería es mucho más lenta que el aumento en el consumo de energía de otros componentes. El grosor, el rendimiento y la duración de la batería del teléfono móvil se han convertido en un trilema sin solución. Para conseguir dos, debes renunciar a uno.
Una poderosa herramienta para mejorar la densidad energética de las baterías de litio
Afortunadamente, el material de grafeno surgió en 2004 por los físicos Andre Heim y Constantine Heim de la Universidad de Manchester en el Reino Unido Novoselov. , separó con éxito el grafeno del grafito mediante cinta en un experimento, confirmando la existencia de este material versátil. Los dos también ganaron el Premio Nobel de Física de 2010, lo que demuestra la importancia del grafeno para el mundo.
En un sentido estricto, el grafeno es un cristal bidimensional de una sola capa compuesto por átomos de carbono dispuestos en una red de panal con orbitales híbridos sp2. En un sentido amplio, una estructura de grafito con menos de 10 capas. También se le llama grafeno. Este material es actualmente el más fino del mundo, con un espesor de una sola capa de sólo 0,34 nm.
No sólo es el material más duro y con mayor conductividad térmica del mundo, sino también el material con menor resistencia del mundo. Su movilidad electrónica supera los 15.000 cm2/V·s a temperatura ambiente, lo que lo convierte en el material con mayor conductividad térmica del mundo. Es un material de batería ideal.
En la actualidad, la tecnología de baterías de grafeno tiene dos direcciones generales: una es incrustar iones de litio como ánodo y la otra es existir como agente conductor. Como material de electrodo, puede considerarse como una versión mejorada de las baterías de litio tradicionales. Las baterías de litio tradicionales siempre han utilizado grafito multicapa como estructura de mosaico. Si el grafito se divide en una estructura monocapa (grafeno), la capacidad teórica de una batería de litio con grafeno como ánodo será más del doble de la capacidad de una batería de litio tradicional (gt; 744 mAh·g -1).
Para las baterías de teléfonos móviles, una batería así es casi un sueño. Imagínese, si su teléfono móvil se puede cargar cada tres días, cómo cambiarán las funciones de su teléfono móvil.
La solución definitiva para la tecnología de carga rápida de baterías
La importancia del grafeno para las baterías de litio no es solo eso, ya que el grafeno es actualmente el material con mayor conductividad térmica, si se utiliza grafeno. a litio La batería disipa el calor y la velocidad de carga rápida de las baterías de litio se puede mejorar a otro nivel. Anteriormente, en la 56.ª Conferencia de Baterías de Japón en 2015, Huawei presentó una tecnología que utiliza grafeno para disipar el calor de las baterías de litio, lo que demuestra los resultados de la tecnología de carga rápida que puede cargar completamente una batería de 3000 mAh al 48 % en 5 minutos.
Si la disipación de calor del grafeno se combina con el grafeno como tecnología de cátodo de batería, la capacidad y la velocidad de carga de las baterías de litio mejorarán al mismo tiempo.
En 2017, Samsung anunció que había desarrollado una batería utilizando tecnología de grafeno.
En la demostración de Samsung, la capacidad de la batería de este teléfono móvil que utiliza tecnología de grafeno aumentó en un 45% y se pudo cargar completamente en 12 minutos. El potente rendimiento de la batería mostró el potencial de las baterías de grafeno en los productos electrónicos.
El salvador de la duración de la batería de los vehículos eléctricos
No solo los fabricantes de teléfonos móviles esperan con ansias las baterías de grafeno, sino también las empresas de vehículos de nuevas energías que tienen problemas con la duración de la batería, incluso si usan Las baterías ternarias de litio de Tesla no pueden lograr una experiencia de usuario comparable a la de los vehículos de combustible, pero el grafeno puede cambiar esta vergonzosa situación.
En 2014, una startup española de grafeno llamada Graphenano colaboró con la Universidad de Corvado para desarrollar la primera batería de polímero de grafeno del mundo. Los vehículos eléctricos propulsados por esta batería pueden recorrer hasta 1.000 kilómetros, y su tiempo de carga. Dura menos de 8 minutos, lo que muestra cuánto grafeno puede mejorar la capacidad de la batería y la velocidad de carga.
Si todos los vehículos eléctricos del futuro utilizan baterías de grafeno que se puedan cargar completamente en 10 minutos, el problema de la autonomía de los vehículos eléctricos ya no existirá y las estaciones de carga rápida sustituirán a las gasolineras. Si los propietarios de automóviles pueden salir de su vehículo e ir al baño para cargarlo completamente, entonces los vehículos eléctricos serán tan convenientes como los vehículos de combustible.
La tecnología sigue en el camino de la industrialización
No importa desde qué aspecto, el grafeno es la clave para el avance de las baterías de litio. Pero el grafeno, como material nuevo, es todavía demasiado joven. Cada vez que los seres humanos descubren un nuevo material, siempre siguen el proceso de investigación principal: producción en laboratorio, producción a gran escala y productos.
La ciencia de los materiales se diferencia de otras disciplinas en que existe un largo ciclo experimental desde el principio hasta el producto. A juzgar por el nivel actual de fabricación y aplicación del grafeno, el grafeno aún se encuentra en sus primeras etapas. Aunque el tamaño del mercado mundial del grafeno alcanzó los 273 millones de dólares en 2018 y la tasa de crecimiento anual promedio se mantuvo en una tasa elevada del 40%, la mayoría. del grafeno producido Ninguna de las empresas de grafeno ha dominado la tecnología para la producción masiva de grafeno a gran escala, y los materiales de grafeno de alta pureza producidos se venden por más de mil yuanes el gramo.
Materiales tan caros solo pueden aparecer en investigaciones de laboratorio como máximo. Si se quiere comercializar, independientemente de si la tecnología y el rendimiento son suficientes, me temo que nadie pagará el precio solo. El grafeno, una tecnología que aún se encuentra en las primeras etapas de industrialización, podría no aparecer en productos electrónicos hasta dentro de tres a cinco años.
Actualmente, pocas personas creerán a quienes afirman que el grafeno cambiará el mundo de forma inmediata.
En primer lugar, la tecnología actual, y en segundo lugar, los costes de investigación y desarrollo determinan que las baterías de grafeno sean difíciles de utilizar de forma madura.
1 Las características del grafeno son incompatibles con muchos requisitos del sistema industrial de baterías de iones de litio existente. Esto ha sido un problema en los últimos años.
2 Las características intrínsecas de los materiales de grafeno no han provocado cambios fundamentales en las propiedades electroquímicas, innovaciones en los mecanismos de almacenamiento, etc. Es decir, no es subversivo basándose en los principios básicos de la electroquímica. Si dices que el grafeno puede subvertir el mundo de la mecánica newtoniana como la mecánica cuántica, esta persona sólo puede expresar algunas dudas.
3 Las baterías no están exentas de nuevas tecnologías por desarrollar, como las de litio-azufre, totalmente sólidas, de sodio, etc. Con el paso del tiempo, algunas de ellas entrarán antes en nuestras vidas. Desafortunadamente, el grafeno no es un componente central de la batería en términos de mecanismo. En realidad no lo es, simplemente juega un papel de apoyo. Usted dijo que dentro de algunas décadas, sugeriría prestar atención primero al estado totalmente sólido de litio-azufre. Así que no me niego a seguir adelante ni a fantasear, pero es que las tonterías y las exageraciones obvias son completamente perjudiciales para el desarrollo saludable de una industria. Creo que las personas que son pragmáticas con el grafeno también entienden esto.
4 Las personas que han hecho ingeniería deben preocuparse por la economía y el tiempo. Si esta tecnología puede tener futuro en 20 o 30 años, hay muchos problemas que deben superarse ahora. Entonces la pregunta es: ¿es apropiado empezar a aumentar la capacidad de producción ahora para algo que tendrá futuro en unas pocas décadas? ¿Esto es un desperdicio del dinero y del dinero de la gente? Y la premisa de esto es que habrá un futuro en unas pocas décadas. ¿Qué pasa si no hay futuro? Por supuesto, esto se refiere a las baterías, no a otras direcciones del grafeno.
Dentro de cinco años
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