Ein synthetisches kristallines Material auf Kohlenstoffbasis namens Graphdiin (GDY) ist zu einem wahrscheinlichen Schlüsselelement geworden, um den nächsten bedeutenden Sprung in der Batterietechnologie voranzutreiben – einen, der nicht mehr gesehen wurde, seit Lithium Anfang der 1990er Jahre Blei und andere Schwermetalle übertroffen hat.
Professor Zicheng Zuo, Mitglied des Graphdiin-Teams der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Institut für Chemie, veröffentlichte eine Übersichtsarbeit über den Stand der Technik bei der Entwicklung und Verwendung von GDY als Schnittstellenkomponente für die Energiespeicherung und -umwandlung. „Aufgrund der inhärenten Eigenschaften von GDY wurden einige neue Phänomene und Eigenschaften in einer Vielzahl von Forschungsgebieten entdeckt“, schrieben Zuo und seine Mitforscher in dem Papier.
„GDY hat wesentliche Durchbrüche in der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft erzielt, innovative wissenschaftliche Konzepte entwickelt und großartige Erfolge erzielt.“
Die Übersichtsarbeit ist erschienen in Nano-Forschungsenergie.
Unter den Errungenschaften von GDY konzentrierten sich die Autoren hauptsächlich auf das Potenzial des 2D-Kristalls in Bezug auf Energieumwandlung und -speicherung. Inmitten des weltweiten Kampfes zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen sei die wissenschaftliche Gemeinschaft unter Druck geraten, Wege zu finden, um das Beste aus erneuerbaren Energiequellen herauszuholen, erklärte Zuo, und eine bessere Energiespeicherung sei ein großer Teil davon. Signifikante Verbesserungen bei der Massenspeicherung von Energie werden dazu beitragen, den effektiven Ertrag von Sonne und Wind zu maximieren. Die Stundenleistung variiert je nach Wetter und Tageszeit stark.
Graphdiin ist ein unendlich skalierbares kristallines Gitter, das eine Ladung halten kann und beim Entladen wenig Widerstand bietet, was es zu einer idealen Batterieanode für eine mögliche nächste Generation von Hightech-Batterien macht, die erneuerbare Energiereserven in Massenproduktion lebensfähig und Elektrofahrzeuge zugänglich machen würden viel breiterer Markt.
„Die Forschung weist stark darauf hin, dass die Graphdiin-Grenzfläche ein starkes Potenzial für Massenmarktanwendungen von Batterien mit hoher Energiedichte und Wasserspaltung hat, die wichtige Bereiche für die Schaffung einer nachhaltigen Gesellschaft sind“, sagte Zuo. „Wir glauben fest daran, dass diese Materialien in fünf bis zehn Jahren einen transformativen Fortschritt für die Energiespeicherung und -umwandlung bringen werden.“
Das Team von Zuo untersuchte das Potenzial von Graphdiyn als Schnittstelle zwischen den Bausteinen verschiedener Batterien, wie Magnesium, Lithium, Natrium und Kalium, die alle umfassend für Anwendungen in der zukünftigen Energiespeicherung untersucht werden. Die Ergebnisse aus einer Reihe von Experimenten mit unterschiedlichen Energiespeicheranwendungen zeigten, dass Graphdiin ein hocheffektiver Stromleiter ist, der Strom mit geringem Widerstand über einen Weg fließen lässt.
Graphdiin hat sich auch im Laufe der Zeit als stabil erwiesen, was es zu einem wünschenswerten Studienobjekt für zukünftige Energiespeicheranwendungen in der realen Welt macht. „Stabilität und Kontrollierbarkeit sind zwei beispiellose Vorteile einer Graphdiin-Schnittstelle, und sie hat das Potenzial, die Stabilität und Funktion der Grenzfläche in realen Szenarien zu revolutionieren“, sagte Zuo.
Da Graphdiin ein kristallines Gitter ist, das in genau kontrollierten Laborumgebungen gezüchtet wird, müssen möglicherweise Wege gefunden werden, es schneller herzustellen, um es für Anwendungen in der kommerziellen Industrie und im öffentlichen Infrastrukturmaßstab rentabel zu machen. Zuo sagte, er und seine Kollegen würden weiterhin das Potenzial von Graphdiin für die Energiespeicherung untersuchen.
„In Zukunft werden wir die Forschung ausweiten und groß angelegte Prototypen bauen, um die Vorteile der Graphdiin-Schnittstelle bei der Verbesserung der Energiedichte und Lebensdauer von Batterien zu demonstrieren.“
Xiaoya Gao et al, Fortgeschrittene elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung an der Graphdiin-Grenzfläche, Nano-Forschungsenergie (2022). DOI: 10.26599/NRE.2022.9120036