Innowacyjna technika syntezy zaawansowanych nanokompozytów grafenowych
Grafen stanowi wyjątkowy materiał, charakteryzujący się wysoką wytrzymałością mechaniczną i odpornością na rozciąganie, dużą powierzchnią, wysoką stabilnością chemiczną oraz doskonałą przewodnością cieplną i elektryczną. Właściwości te sprawiają, że materiał ów ma niezwykły potencjał. Dodatkowo, ponieważ jest on zbudowany z jednego z najczęściej występujących pierwiastków na Ziemi, obiecujący jest też aspekt ekonomiczny grafenu. Jednym z obszarów, gdzie zastosowanie grafenu i kompozytów grafenowych jest obecnie bardzo obiecujące, są elektrody w urządzeniach magazynujących energię. Grafen pozwolił znacznie zwiększyć pojemność i wydajność baterii litowo-jonowych i superkondensatorów, nadal istnieją jednak bariery utrudniające powszechne wdrożenie tego materiału w zastosowaniach przemysłowych. Brakuje skutecznych metod opłacalnej produkcji zaawansowanych nanokompozytów na bazie grafenu na skalę przemysłową, głównie ze względu na wymagane w procesie produkcji liczne przemiany chemiczne. Aby temu zaradzić, w ramach wspieranego przez UE projektu GRAPHEEN firma Gnanomat wykorzystała opatentowaną technikę w celu zbudowania instalacji pilotażowej umożliwiającej zwiększenie skali produkcji materiałów wykorzystywanych do wytwarzania elektrod używanych w urządzeniach magazynujących energię. Zespół wdrożył system kontroli jakości, trwa też komercjalizacja rozwiązania. Od testów laboratoryjnych do zakładu pilotażowego i nie tylko W projekcie początkowo wykorzystano różne laboratoryjne techniki charakteryzacji, aby lepiej zrozumieć proces syntezy zachodzący w procesie produkcji nanomateriałów. „Zrozumienie mechanizmu syntezy i problemów ze stabilnością cykli tlenków metali – wykorzystywanych do poprawy elektrochemicznych właściwości węgla – nie było łatwym zadaniem. Kontrolowanie wszystkich parametrów syntezy, takich jak synteza i utlenianie (redoks) w przypadku krótkich reakcji, jest skomplikowane”, mówi koordynatorka projektu dr Alejandra García. Nanomateriały zostały następnie ocenione pod kątem przydatności do zastosowania w elektrodach na potrzeby urządzeń magazynujących energię, a najbardziej obiecujące z nich zostały wybrane do wykorzystania w instalacji pilotażowej. Głównym wyzwaniem dotyczącym produkcji urządzeń do magazynowania energii jest poprawa parametrów elektrochemicznych gęstości energii (ilość ładunku, jaką urządzenie może przechowywać, a następnie dostarczać), gęstości mocy (jak szybko urządzenie może dostarczyć moc) oraz cyklu życia urządzenia, przy jednoczesnym obniżeniu kosztu wygenerowanych kWh. Zakład pilotażowy otwarty w ramach projektu GRAPHEEN wykorzystywał opatentowaną, przyjazną dla środowiska i bezpieczną technikę jednoetapową opracowaną przez firmę Gnanomat do produkcji zaawansowanych nanokompozytów na bazie grafenu. Proces zwiększania skali odbywa się w medium płynnym. W przypadku gdy właściwości produktów można określić, kontrolując parametry syntezy, możliwe jest zastosowanie procedury, która nie wymaga wysokiego ciśnienia ani temperatur. Wykorzystywane w ramach metody rozpuszczalniki są powszechnie stosowane w przemyśle i nie stanowią żadnego zagrożenia związanego z toksycznością czy lotnością. W cyklach produkcyjnych zakładu zastosowano też pomiary kontroli jakości, które pozwoliły upewnić się, że zoptymalizowane nanomateriały spełniają oczekiwane standardy rynkowe. „Ten stosunkowo prosty, skalowalny i ekonomiczny sposób produkcji zaawansowanych nanokompozytów grafenowych może stać się uniwersalnym standardem”, mówi dr García. „Pod koniec projektu tworzyliśmy zaawansowane nanomateriały charakteryzujące się dobrymi właściwościami elektrochemicznymi”. Rewolucyjny potencjał Biorąc pod uwagę liczne dziedziny działalności człowieka, które wymagają urządzeń do wytwarzania i przechowywania energii, każdy materiał oferujący większą wydajność i przystępną cenę ma ogromny potencjał zrewolucjonizowania rynku. Co ważne, nanokompozyty mogłyby również przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych poprzez poprawę możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii, pojazdów elektrycznych lub urządzeń elektronicznych. Obecnie technologia ta pozostaje na etapie przedprzemysłowym. Aby przejść do rozwiązania gotowego do masowego wprowadzenia na rynek dla producentów i montowni, firma Gnanomat rozwija strategiczne partnerstwo z grupą Versarien specjalizującą się w inżynierii materiałowej.
Słowa kluczowe
GRAPHEEN, grafen, nanokompozyty, energia, urządzenie do magazynowania energii, energia, elektrochemiczne, węgiel, baterie
