2D-grafiek een potentieel sleutelelement voor toekomstige generaties van technologieën voor energieopslag en -conversie

Een synthetisch, op koolstof gebaseerd kristallijn materiaal, graphdiyne (GDY) genaamd, is een waarschijnlijk sleutelelement geworden in het aansturen van de volgende belangrijke sprong in batterijtechnologie – een sprong die niet is gezien sinds lithium begin jaren negentig lood en andere zware metalen overtrof.

Professor Zicheng Zuo, lid van het graphdiyne-team van de Chinese Academie van Wetenschappen, Institute of Chemistry, publiceerde een overzichtsartikel over de stand van de techniek in de ontwikkeling en het gebruik van GDY als interfacecomponent van energieopslag en -conversie. “Vanwege de inherente kenmerken van GDY zijn er enkele nieuwe fenomenen en eigenschappen ontdekt in een breed scala aan onderzoeksgebieden”, schreven Zuo en zijn mede-onderzoekers in de krant.

“GDY heeft substantiële doorbraken gemaakt in fundamentele en toegepaste wetenschap, heeft innovatieve wetenschappelijke concepten gevormd en grote prestaties geleverd.”

De review paper is gepubliceerd in Nano-onderzoeksenergie.

Onder de prestaties van GDY concentreerden de auteurs zich voornamelijk op het potentieel van het 2D-kristal met betrekking tot energieconversie en -opslag. Te midden van de wereldwijde strijd om de CO2-uitstoot te verminderen, is de wetenschappelijke gemeenschap onder druk gezet om manieren te vinden om het meeste uit hernieuwbare energiebronnen te halen, legde Zuo uit, en betere energieopslag is daar een groot onderdeel van. Aanzienlijke verbeteringen in massa-energieopslag zullen helpen om de effectieve opbrengst van zon en wind te maximaliseren. De output per uur van elk varieert sterk, afhankelijk van het weer en het tijdstip van de dag.

Graphdiyne is een oneindig schaalbaar kristallijn rooster dat een lading kan vasthouden en weinig weerstand biedt bij ontlading, waardoor het een ideale batterijanode is voor een mogelijke volgende generatie hightech batterijen die massale hernieuwbare energiereserves levensvatbaar en elektrische voertuigen toegankelijk zouden maken voor een veel grotere markt.

“Onderzoek wijst er sterk op dat de graphdiyne-interface een sterk potentieel heeft voor massamarkttoepassingen van batterijen met een hoge energiedichtheid en watersplitsing, wat belangrijke gebieden zijn voor het creëren van een duurzame samenleving”, zei Zuo. “We zijn er vast van overtuigd dat deze materialen over vijf tot tien jaar transformatieve vooruitgang zullen brengen voor energieopslag en -conversie.”

Zuo’s team onderzocht het potentieel van graphdiyne als een interface tussen de bouwstenen van verschillende batterijen, zoals magnesium, lithium, natrium en kalium, die allemaal op grote schaal worden bestudeerd voor gebruik in toekomstige energieopslag. De bevindingen van een aantal experimenten met verschillende toepassingen van energieopslag toonden aan dat graphdiyne een zeer effectieve geleider van elektriciteit is die stroom langs een pad met weinig weerstand laat passeren.

Graphdiyne bleef ook in de loop van de tijd stabiel, waardoor het een wenselijk onderwerp van studie werd voor toekomstige toepassingen voor energieopslag in de echte wereld. “Stabiliteit en beheersbaarheid zijn twee ongekende voordelen van een graphdiyne-interface, en het heeft het potentieel om de grensvlakstabiliteit en functies in echte scenario’s te revolutioneren,” zei Zuo.

Aangezien graphdiyne een kristallijn rooster is dat wordt gekweekt in nauwkeurig gecontroleerde laboratoriumomgevingen, moeten mogelijk manieren worden gevonden om het sneller te produceren om het levensvatbaar te maken voor toepassingen in de commerciële industrie en openbare infrastructuur. Zuo zei dat hij en zijn collega’s het potentieel van graphdiyne in energieopslag zullen blijven bestuderen.

“In de toekomst zullen we het onderzoek opschalen en grootschalige prototype-apparaten bouwen om de voordelen van de graphdiyne-interface te laten zien bij het verbeteren van de energiedichtheid en levensduur van batterijen.”