Grafeen: is de revolutie (eindelijk) voor morgen?

Begin september nam een ​​Chinese Amazon-wederverkoper contact met ons op om ons aan te bieden twee nogal onaangename producten te testen en liever wat de f * ck: een verwarmend slaapmasker en een opblaasbaar reiskussen, ook verwarming, in… grafeen. Geamuseerd door dit vreemde verzoek, besloten we om wat dieper in het onderwerp te graven en een rondleiding te krijgen langs de "langverwachte" toepassingen rond grafeen, met name op energiegebied. Klein technologisch punt!
Grafeen is een tweedimensionaal materiaal, d.w.z. samengesteld uit een enkele atoomlaag. Door deze lagen op elkaar te stapelen, ontstaat grafiet, een van de natuurlijke vormen van koolstof. Het werd in 2004 gesynthetiseerd aan de Universiteit van Manchester (het verdiende zijn 'ontdekkers' de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010) en werd lang beschouwd als een fysieke anomalie, waarbij wordt aangenomen dat een 2D-materiaal onstabiel is.

Grafeen heeft buitengewone eigenschappen:

• Uitgerust met hetzelfde constructieprincipe als koolstof, waarvan een van de natuurlijke vormen diamant is, is het extreem sterk . Met behulp van grafeen zijn onderzoekers van MIT er zo in geslaagd een 3D-assemblage te maken die tien keer sterker is dan staal, maar zo licht als plastic.
• Samengesteld uit een enkele atoomlaag, is het ook extreem licht . Dit object biedt met name interessante perspectieven op het gebied van luchtvaart, waar het gewicht van de boordcomponenten een directe invloed heeft op het energieverbruik.
• Het is een uitstekende thermische geleider , met een transmissiesnelheid die 30 keer groter is dan die van silicium, het materiaal dat tot nu toe het meest werd gebruikt in de elektronica-industrie.
• Het is perfect waterdicht en maakt het mogelijk om nieuwe toepassingen te overwegen in combinatie met zijn geleidende eigenschappen in vochtige omgevingen.
• Het is vervormbaar en transparant , en zou waarschijnlijk aanleiding kunnen geven tot een nieuwe generatie flexibele schermen - hoewel de eerste versies van flexibele schermen die op de markt worden gebracht nog steeds plastic gebruiken - en nieuwe generaties transparante schermen, vooral bruikbaar in het veld. automobiel

Bijna 15 jaar na de eerste synthese vinden we relatief weinig toepassingen in ons dagelijks leven. De processen voor het synthetiseren van grafeen op industriële schaal zijn nog niet voldoende winstgevend of bevredigend, bepaalde exfoliatie-mechanica verslechteren de mechanische eigenschappen van het materiaal te veel om het gebruik ervan te legitimeren in vergelijking met andere materialen die al goed onder de knie zijn, zoals silicium.
In 2018 lanceerde de Europese Commissie het grootste onderzoeksprogramma dat ooit op Europees niveau werd uitgevoerd, door de komende 10 jaar een budget van 1 miljard euro te injecteren. Doelstelling: een Graphene Valley creëren die de ontwikkeling van industrieel gebruik van grafeen ondersteunt, wat resulteert in een aanzienlijke economische meevaller.

Toepassingen in de energiesector

Er zijn veel toepassingen van grafeen in het energieveld, waarbij wordt geprofiteerd van de geleidende eigenschappen van het materiaal.

Koeling

In een sector die ons dagelijks raakt, noemden we de aankondiging van de fabrikant Huawei die de eerste mobiele telefoon introduceerde die was uitgerust met een op grafeen gebaseerd koelsysteem waarmee warmte kan worden geleid in een verdampingskamer met de grootste efficiëntie, en dus minder belasting van de componenten om hun levensduur te verbeteren.
Huawei mate 20 x

Batterijen

De start-up Earthdas werkt aan lithiumbatterijen waarvan de anodes grafeen bevatten en waarmee de laadsnelheid enorm kan worden versneld. We hebben het over 12 keer sneller opladen in vergelijking met een conventionele lithium-ionbatterij en een volledige lading in enkele minuten voor een telefoon.
Het opnemen van grafeen in lithium-ionbatterijen, ter vervanging van silicium, wordt ook verondersteld de levensduur van de batterij te verlengen dankzij het vermogen van grafeen om temperatuurschommelingen te weerstaan. In het geval van toepassingen die zijn gekoppeld aan lithium-ionbatterijen, versterkt grafeen daarom in wezen de capaciteiten van een traditionele batterij om de prestaties en levensduur te verbeteren.
Een model externe grafeenbatterijen vind je al bij Elecjet, die een 6000 mAh-model biedt met een oplaadtijd van 20 minuten.

Condensatoren

De ultracondensatoren (of "supercapacitatoren") worden ook onderzocht om hun levensduur te verbeteren en hun laadtijden drastisch te verkorten . In tegenstelling tot conventionele batterijen die energie produceren door middel van een chemische reactie, slaan supercondensatoren energie op in de vorm van een elektrostatisch veld. Een klassieke supercondensator laadt (en ontlaadt) veel sneller op dan een batterij, maar slaat aan de andere kant veel minder energie op.
NAWATECHNOLOGIE
Het gebruik van grafeen zou het mogelijk kunnen maken om de snelheid van het laden van supercondo's te combineren met een veel grotere opslagcapaciteit. Zo werkt het Franse bedrijf Nawa Technologies aan supercondensatoren van koolstofnanobuisjes - opgerolde platen grafeen - die uiteindelijk zorgen voor schonere (geen chemische componenten) en duurzamere energie, met name op het gebied van transport. Het bedrijf test al elektrische racewagens uit het Formule E-kampioenschap om deze producten onder extreme omstandigheden te testen.
In 2017 presenteerde Lamborghini zijn elektrische supercar-project gerealiseerd in samenwerking met MIT, Terzo Millennio, waarvan grafeen een van de belangrijkste componenten is. Denis Brogniart legt in deze video voor Automoto de bekwaamheid van Lamborghini kort uit:

Dus, zit grafeen in onze zakken in 2019?

Grafeen is een revolutionair materiaal waarvan de eigenschappen kunnen helpen bij het aanpakken van toekomstige energie-uitdagingen. Na slechts 15 jaar onderzoek doen zich concrete trends voor die het potentieel van het materiaal onthullen. De belangrijkste uitdaging blijft de productie op industriële schaal, die nog steeds duur en traag is. We hebben dus nog even de tijd voordat de objecten die we dagelijks gebruiken dit materiaal massaal exploiteren.

Begin 2018 ontwikkelden MIT-onderzoekers een industrieel productieproces voor grafeenvellen, speciaal voor verwerking in ultradunne membranen. Dit proces is echter niet gericht op toepassingen op energiegebied, maar toont aan dat oplossingen niet ver weg zijn om grafeen het industriële stadium te laten bereiken.
Europees onderzoek in het kader van het Graphene Flagship gaat in die richting en zal het komende decennium nieuwe wegen inslaan.