אנרגיה
שיפור סוללות ליתיום-יון: טכנולוגיית גרפן חדשה מתהדרת במוליכות תרמית גבוהה פי 10 מהפתרונות הנוכחיים
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
גרפן וסוללות
טכנולוגיית הסוללות מתפתחת במהירות, עם עשרות כימיות אלטרנטיביות מתחרות המאתגרות את הדומיננטיות של סוללות הליתיום-יון, שלהן התגלית זכתה בפרס נובל בכימיה לשנת 2019.
חלופה אחת כזו היא סוללות באמצעות גרפן.
הסיבה לכך היא שגרפן הוא "חומר פלא", העשוי משכבה אחת של אטומי פחמן. זה נותן לו תכונות חשמליות יוצאות דופן. הסברנו יותר על גרפן, כמו גם "חומרים דו מימדיים" אחרים כמו בורופן וגולדן ב"חומרים דו מימדיים, כמו גרפן, פותחים גבולות חדשים במדעי החומר".
תכונות חשמליות אינן המאפיינים היחידים שהופכים את הגרפן ליוצא דופן. זה גם יוצא דופן בזכות המוליכות התרמית שלו, מה שהופך אותו ליכול להעביר חום במהירות רבה.
מקור: gmg
תכונה תרמית זו עשויה להתגלות כמשנה לטכנולוגיית הסוללות, ובאופן פרדוקסלי, גרפן יכול לעזור לשמור על סוללות ליתיום-יון כטכנולוגיית הסוללות השלטת על פני כימיה אלטרנטיבית, כולל סוללות מבוססות גרפן.
זה יכול לקרות הודות לתגלית של חוקרים מאוניברסיטת סוונסי (בריטניה), בשיתוף עם אוניברסיטת ווהאן לטכנולוגיה ואוניברסיטת שנזן (סין). הם חשפו את תוצאותיהם במאמר מדעי שפורסם ב- Nature Chemical Engineering תחת הכותרת "קולטי זרם בקנה מידה גדול לוויסות העברת חום ושיפור בטיחות הסוללה".
מגבלות גרפן
על הנייר, גרפן הוא חומר פלא שאמור לחולל מהפכה בתעשיות רבות, מייצור סוללות ועד כל דבר שמשתמש בחשמל, כולל מחשבים ופאנלים סולאריים, ואפילו בטון ו ננו-רובוטים בזרם הדם שלנו.
בפועל, הגרפן סובל מכמה מגבלות:
- ייצור at sדרך: סרט סקוטש שהודבק על פיסת גרפיט הספיק כדי לגלות גרפן. אבל נדרשות שיטות הרבה יותר מורכבות כמו כימיקלים (CVD) לייצור המוני.
- עלויות: רוב שיטות הייצור והיישומים למכשירים קיימים הם לרוב בקנה מידה קטן או מותאמים אישית, וחומרי 2D נשארו יקרים למדי. המחיר בפועל יכול להשתנות מאוד בהתאם לטוהר, עם למשל גרפן נע בין 20-2,000 דולר לק"ג.
כמובן, 2 הבעיות קשורות, שכן קנה המידה הקטן של הייצור הוא זה שמגדיל את העלויות. עד כה, זה הפריע מאוד לאימוץ ההמוני של גרפן, מה שגרם לכך שרוב ההבטחות של החומר הזה עדיין לא מומשו, למרות גילויו לפני 20 שנה ב-2004.
היכולת לייצר חומר מבוסס גרפן בנפחים גדולים היא המפתח הן להפחתת עלויות והן לאפשר יישומים בקנה מידה תעשייתי.
זהו נושא ייצור וטכנולוגי בלבד, שכן הגרפן עשוי מפחמן, חומר שופע וזול. אז הוא לא סובל מבעיה של חומרים נדירים כמו למשל זרזים לייצור מימן המשתמשים במתכות נדירות כמו פלטינה או פלדיום.
ככזה, לגרפן יש פוטנציאל באמת לחולל מהפכה במערכות האנרגיה שלנו, מבלי לפגוע בגבולות של דלדול משאבים כאשר הוא פרוס בהמוניו.
הכנת קילומטרים של גרפן
נושא זה של ייצור בקנה מידה גדול הוא מה שהחוקרים במאמר הנ"ל טוענים כי פתרו חלקית.
פרסום החוקרים "מפרט את הפרוטוקול המוצלח הראשון לייצור רדיד גרפן ללא פגמים בקנה מידה מסחרי".
השיטה המוסברת במאמר המדעי יכולה לשמש ליצירת רדיד גרפן באורכים הנעים בין מטרים לקילומטרים.
גם במסגרת מעבדה שלא מיועדת לייצור המוני, הצליחו ליצור רדיד גרפן באורך 200 מטר בעובי של 17 מיקרומטר.
רדיד זה הוא גם עמיד להפליא והוכח שהוא שומר על מוליכות חשמלית גבוהה גם לאחר כפוף למעלה מ-100,000 פעמים.
אז ניתן להניח בבטחה שניתן יהיה לפרוס אותו באלקטרוניקה גמישה, ייצור תעשייתי ויישומים אחרים שבהם הגרפן משמש לפריסת זרמים רבי עוצמה.
מה יכולים יריעות גרפן לעשות?
סוללות ליתיום-יון חשופות לסיכון מרכזי, הנקרא בריחה תרמית. זה קורה כאשר חום מוגזם מצטבר בחלק מהסוללה, ולעתים קרובות מוביל לכשל בסוללה עם שריפות מסוכנות או פיצוצים.
סוגיה זו היא אחת הסיבות העיקריות לכך שחוקרים וחברות סוללות רבות מסתכלות מעבר לליתיום-יון עם כימיות אלטרנטיביות כמו נתרן-יון. פתרונות חלופיים רבים נבדקים, למשל, ג'ל אלקטרוליטים.
בריחה תרמית מתרחשת בעיקר בקולטי הזרם של הסוללה, שם מרוכז הכי הרבה כוח. בסוללות ליתיום-יון נוכחיות, קולטי זרם עשויים בדרך כלל מאלומיניום או נחושת.
קולטי זרם הגרפן שפותחו על ידי המחקר עם רדיד הגרפן שלהם יכולים להציג מוליכות תרמית של עד 1,400.8 ואט מטר-1 K-1. לצורך התייחסות, זה כמעט פי 10 יותר מאשר קולטי זרם מבוססי נחושת ואלומיניום.
מקור: טבע הנדסה כימית
משמעות לגבי סוללות ליתיום-יון
מכיוון שרדיד הגרפן מראה פיזור חום מהיר מאוד, הוא מבטל את הסיכון לריכוז חום מקומי כאשר הזרם זורם.
בתורו, זה מסיר את הסיכונים של תגובות אלומינותרמיות ומימן-אבולוציה שהם השלבים הקריטיים המובילים להתפשטות כשל הסוללה וסכנת שריפה.
"מבנה הגרפן הצפוף והמיושר שלנו מספק מחסום חזק מפני היווצרות גזים דליקים ומונע מחמצן לחדור לתאי הסוללה, דבר חיוני כדי למנוע כשלים קטסטרופליים."
ד"ר ג'ינלונג יאנג, מחבר משותף
אולי חשוב מכך, השיטה כבר הוכחה כניתנת לפריסה עם ייצור המוני של רדיד הגרפן. אז זה יכול להשתלב במהירות בתהליכי ייצור סוללות קיימים.
"זהו צעד משמעותי קדימה עבור טכנולוגיית הסוללה. השיטה שלנו מאפשרת ייצור של קולטי זרם גרפן בקנה מידה ואיכות שניתן לשלב בקלות בייצור סוללות מסחריות. זה לא רק משפר את בטיחות הסוללה על ידי ניהול יעיל של החום, אלא גם משפר את צפיפות האנרגיה ואריכות ימים."
ד"ר רוי טאן, מחבר משותף
עתיד יישומי רדיד גרפן
החוקרים כבר בוחנים דרכים להפחית את העובי של רדיד הגרפן ולשפר עוד יותר את התכונות המכניות שלהם.
הם גם בוחנים כיצד נייר הגרפן יכול לעזור לעצב סוללות זרימה טובה יותר וסוללות נתרן-יון, בשיתוף עם צוות מחקר אחר באוניברסיטת סוונסי, תחת Pr. ההנהגה של סרינה מרגודונה.
דנו בעבר סוללות ליתיום יון חלת דבש המסירות את הסיכון לכשל בסוללה כתוצאה מגידול דנדריטים. אם ניתן לדכא בריחה תרמית גם הודות לרדיד גרפן, זה יכול להפוך את סוללות הליתיום-יון לבטוחות ועמידות הרבה יותר מהגרסה הנוכחית.
מקור: כימיה אירופה
סה"כ זה עוקב אחר הדפוס של רוב החידושים בנישה אחת של טכנולוגיית סוללות כדי להיות שמיש בעיצובים אחרים, ועוזר להזין את ההתקדמות המהירה של התעשייה.
(אתה יכול גם ללמוד עוד על טכנולוגיית הסוללה במאמרים שלנו "עתיד הניידות - Battery Tech"וגם"העתיד של אחסון אנרגיה - טכנולוגיית סוללות בקנה מידה שימושי”.)
השקעה ב-Battery Tech
סוללות ליתיום-יון כבר שינו את העולם מספר פעמים, מאפשרות לאנשים לשאת אלקטרוניקה מתקדמת לכל מקום ועד להנעת מכוניות עם חשמל בלבד.
הם עדיין עשויים לעשות זאת שוב, או סוגים אחרים של סוללות, על ידי מתן אפשרות לרשת חשמל מתחדשת ב-100% או מתן אפשרות לחשמול מטוסים כאשר מגיעים לצפיפות אנרגיה גבוהה מספיק.
אתה יכול להשקיע בחברות הקשורות לסוללות דרך ברוקרים רבים, ותוכל למצוא כאן, ב-securities.io, את ההמלצות שלנו לברוקרים הטובים ביותר ב- ארצות הברית, קנדה, אוסטרליה, בריטניה, כמו גם מדינות רבות אחרות.
אם אתה לא מעוניין לבחור חברות סוללות ספציפיות, אתה יכול גם לבדוק תעודות סל סוללות כמו Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), איקסים גלובליים Lithium & Battery Tech ETF (LIT), או WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, שתספק חשיפה מגוונת יותר כדי לנצל את תעשיית הסוללות הצומחת.
או שאתה יכול לבדוק את המאמרים שלנו "10 מניות הסוללות המובילות להשקעה"וגם"10 המניות המובילות בתחום מתכות סוללות וכריית אנרגיה מתחדשת".
חברות סוללות
1. Veeco
Veeco Instruments Inc. (VECO +% 5.21)
Veeco הייתה ספקית עיקרית של ציוד לתעשיית ייצור המוליכים למחצה מאז הקמתה בשנת 1945. המכונות שלה משמשות לייצור שבבי EUV מתקדמים, אנטנות 5G, כוננים קשיחים, LIDAR, LEDs, אלקטרוניקה כוח עבור EVs וכו'.
מקור: Veeco
המוקד הטכנולוגי העיקרי של החברה הוא אותו תהליך CVD המשמש לייצור בורופן וחלק מהגרפן, או ליתר דיוק, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).
מקור: Veeco
כמובילה בפלח הנישה הזה של תעשיית המוליכים למחצה, Veeco יכולה להיות מועמדת טובה להמר על עליית יישומי CVD נוספים.
צמיחה כזו יכולה לנבוע מהשימוש הגובר בגרפן, טונגסטן ובורופן, ככל שאנו משתפרים בהדרגה במניפולציה של החומר ברמה האטומית. זה כולל סרט דק של גרפן, אבל גם מוליכים למחצה גרפן פוטנציאליים, מוליכים על, וכו '.
סביר להניח שהיא גם תרוויח מהמגמות האדירות של דיגיטציה, בינה מלאכותית וחשמול, בין אם היא משתמשת באופן מסיבי בחומרים דו-ממדיים או לא.
2. קבוצת ייצור גרפן (gmg)
GMG היא יצרנית גרפן אשר מיקדה את היצע המוצרים שלה במוצרים מבוססי גרפן שכבר הוכחו כמו ציפוי חום וחומרי סיכה.
זה הופך את GMG לאופציה טובה למשקיעים המחפשים חשיפה ישירה לשוק הגרפן ולחברה שכבר פעילה בייצור המוני של גרפן ושיפור שיטת הייצור הנוכחית.
מקור: gmg
כמה יישומים נוספים יכולים להיות יצירה של מוליכים למחצה גרפן (ראה "מוליכים למחצה גרפן - האם הם סוף סוף כאן?"), או אפילו מוליכים בטמפרטורת החדר. ציפוי גרפן יכול למצוא שימוש גם בסוללות ובטכנולוגיות של כלי לחץ מימן.
מקור: gmg
GMG מייצרת את הגרפן שלה מתאן + מימן, השונה מרוב מתחרותיה, המייצרות אותו ממרבצים טבעיים של גרפיט. זה מאפשר טוהר גבוה יותר, יותר מדרגיות וייצור בעלות נמוכה.
החברה השיקה את מתקן הייצור הראשון שלה באוסטרליה בשנת 2023, עם ייצור של עד מיליון ליטר של ציפוי מחליף חום בשנה.
השלב הבא של החברה יהיה טכנולוגיית הסוללה שלה המבוססת על יון אלומיניום גרפן, עם צפיפות של 290 וואט/ק"ג, טעינה מהירה פי 60 מסוללות ליתיום-יון, חיי סוללה פי 3 ופרופיל סכנת שריפה טוב יותר.
מקור: gmg
כניסה זו לשוק הסוללות עשויה להיות הימור גדול עבור GMG, אך גם מעניקה לה פרספקטיבה ייחודית על השוק העתידי שיכול להיפתח עבור גרפן, כולל ב-EV ויישומים אחרים הקשורים לכוח.
