Grafeenbatterij: wat kunnen we verwachten op korte termijn?

ANALYSE – Mogelijk heb je al wel eens van de grafeenbatterij gehoord. Het is zo’n technologie die al jaren wordt aangehaald als de opvolger van de lithium-ion-batterij. Maar na wat enthousiaste nieuwsberichten hoor je er vaak maanden niks meer over.

Grafeen is een materiaal dat bestaat uit zeer dunne laagjes koolstof, gerangschikt op een zeshoekig rooster. Het materiaal kan gebruikt worden voor batterijtechnologie, wat in potentie bijvoorbeeld zeer interessant is voor elektrische auto’s, maar ook voor de smartphone.

Het gebruik van grafeen in batterijen zou ze kleiner, lichter en veiliger moeten maken. Ook kan de grafeenbatterij in theorie meer energie opslaan (1.000 Wh per kg tegenover 180 Wh bij lithium-ion), in recordtempo op- en ontladen en hoeft een grafeenbatterij nooit opslagcapaciteit te verliezen door gebruik. Kortom, hij zou alle tekortkomingen van de huidige lithium-ion-batterij in één klap oplossen.

Maar na jaren van optimisme is de grafeenbatterij er nog steeds niet. Is het dan simpelweg te mooi om waar te zijn? Ja en nee. Aan de ene kant zien we de eerste echte toepassingen van grafeen op de markt verschijnen, anderzijds lijkt een volledige grafeenbatterij nog echt toekomstmuziek.

Daarom is het tijd om eens goed te kijken naar wat de grafeenbatterij is, waar we nu staan en waar het mogelijk naartoe gaat.

Maar om dat te kunnen doen is het handig om nog iets meer uit te leggen over wat grafeen is, want het wordt niet voor niets een ‘wondermateriaal’ genoemd door veel wetenschappers.

Grafeen is een '2D-materiaal'

Grafeen is het dunste materiaal ter wereld. Het meet slechts 1 atoom dik, waardoor wetenschappers het een ‘2D-materiaal’ noemen. Dunner kan namelijk niet.

Grafeen heeft een aantal bijzondere eigenschappen: het geleidt energie zeer goed en biedt uitstekende opslagmogelijkheden. Daarnaast is het flexibel, buigbaar, kan het met hoge temperaturen overweg en is het transparant. Kortom, de mogelijkheden zijn eindeloos met grafeen.

En als je de bovenstaande eigenschappen bij elkaar neemt, heb je in theorie het recept voor de perfecte oplaadbare batterij.

Waarom hebben we nog geen grafeenbatterij?

Dit alles roept uiteraard de vraag op waarom er nog niet op grote schaal grafeenbatterijen worden geproduceerd. Dat heeft te maken met het volgende. Op kleine schaal is het productieproces relatief simpel en goedkoop, maar zodra het op grote schaal gemaakt moet worden, ontstaan er problemen.

Dan loopt men tegen heel hoge kosten aan. Denk hierbij aan duizenden dollars per kilogram tegenover ongeveer 15 dollar per kilogram voor een lithium-ion-batterij. Ook gaat de kwaliteit van grafeenvellen in de loop van de tijd relatief snel achteruit. Bij intensief gebruik ontstaan er gaten in de honingraatstructuur, waardoor de prestaties van het materiaal heel snel afnemen.

Bedrijven werken al jaren aan oplossingen voor deze problemen. Zo wordt er geëxperimenteerd met het vormen van grafeenvellen in vloeistof, om zo het aantal fouten te minimaliseren.

Maar zelfs als de problemen rond massaproductie spoedig worden opgelost, hebben we het nog steeds over jaren voordat we de echte grafeenbatterij voor een schappelijke prijs op de markt zullen zien.

Als er een partij is waarvan je zou verwachten dat ze met de grafeenbatterij bezig zijn, dan moet het wel Tesla zijn. Maar Elon Musk, CEO van de Amerikaanse autobouwer, heeft al meerdere keren aangegeven dat hij sceptisch is over de grafeentechnologie. Precies vanwege de bovengenoemde problemen.

Gelukkig betekent dat niet dat er in de tussentijd niets gebeurt.

Grafeen kan namelijk ook toegepast worden als onderdeel van de huidige batterijtechnologieën. Daarmee krijgt bijvoorbeeld een lithium-ion-batterij een veel snellere oplaadtijd en wordt hij een stuk brandveiliger.

Samsung is een van de partijen die liet zien wat grafeen in de praktijk kan betekenen, als het wordt toegepast in een lithium-ion-batterij. De Zuid-Koreaans techreus presenteerde in 2017 een accu met daarin ‘graphene balls’. Simpel gezegd voorzag Samsung electrodes in de accu van kleine grafeenballetjes om de opslagcapaciteit en de op- en ontlaadsnelheden te verhogen.

Destijds had Samsung het over 45 procent meer capaciteit en een oplaadsnelheid van 12 minuten tegenover een uur voor een reguliere lithium-ion-batterij.

Toepassing grafeenbatterij voor elektrische auto’s

Vooral in de wereld van de stekkerauto's kunnen de voordelen van grafeen uitkomst bieden. Daar loopt men tegen het gewicht en de beperkte laadsnelheden aan. Door de toevoeging van grafeen kunnen de accupakketten kleiner worden gemaakt, terwijl de auto's toch dezelfde actieradius behouden. En daarnaast is er nog een groter voordeel voor elektrische auto's, want het brandgevaar bij schade neemt aanzienlijk af.

Grafeen heeft namelijk de eigenschap om de brandgevaarlijke reactie van een lithium-ion-batterij te beperken door de vorming van zuurstof tegen te gaan. En laat dat nou net het belangrijkste onderdeel voor de spontane ontvlamming van een oververhittende lithium-ion-cel zijn.

Wellicht is grafeen nog geschikter als toevoeging voor de LFP-batterij (lithium-ijzer-fosfaat-accu). Deze heeft, op kosten en veiligheid na, vrijwel alleen maar nadelen tegenover de lithium-ion batterij. Hij is zwaarder en heeft een lagere energiedichtheid.

Grafeen zou beide problemen kunnen oplossen, waardoor LFP ineens een goed alternatief kan zijn voor lithium-ion en schaarste aan bepaalde grondstoffen kan helpen aanpakken. De grondstoffen die nodig zijn voor een lithium-ijzer-fostaat-accu zijn namelijk relatief goedkoop en goed beschikbaar.

De eerste echte toepassing van grafeen in een elektrische auto lijkt te komen van de Amerikaanse Overland-E. Deze elektrische buggy, die een actieradius heeft van 1.207 kilometer, maakt volgens de producent gebruik van ‘grafeentechnologie’ in de accu. Maar wat het bedrijf precies met zijn accu’s doet, is nog niet bekend.

En als we wat minder groot denken, zeg op het formaat van powerbanks voor het opladen van je smartphone, dan zie je dat de lithium-ion-grafeen-batterij al te koop is. De Elecjet Apollo Ultra is daar een voorbeeld van.

Hij heeft een grotere capaciteit en kan sneller opladen dan de gemiddelde powerbank. Het apparaat met een capaciteit van 20.000 mAh laadt op in 18 minuten met een 60 Watt-oplader. Dat is ongeveer 6 keer sneller dan een reguliere powerbank, aldus de fabrikant.

De technologie lijkt dus eindelijk goed genoeg om voor bepaalde commerciële doeleinden te worden gebruikt. Maar waar leidt dat heen in de toekomst?

Met de ontwikkeling van de grafeentechnologie en het opstarten van de commerciële productie is het aannemelijk dat steeds meer batterijfabrikanten grafeen in hun producten zullen verwerken. Daarmee zal de capaciteit, snelheid en veiligheid stapsgewijs verbeteren. Dat helpt op zijn beurt om de technologie echt volwassen te maken – iets wat nodig zal zijn voor de adoptie door grotere partijen zoals Tesla.

Een volledige grafeenbatterij zal echter nog flink wat jaren op zich laten wachten. Zowel de technische problemen rond de massaproductie als het kostenplaatje vragen nog om een reeks reuzenstappen voor verbetering.

LEES OOK: De solid state-batterij voor elektrische auto’s levert extra actieradius én milieuwinst – maar er zijn nog 3 flinke obstakels