Grafen od ponad dekady funkcjonuje w świadomości opinii publicznej jako niespełniona obietnica. Miał zrewolucjonizować praktycznie wszystko – od ekranów po magazynowanie energii, a tymczasem najczęściej pojawia się w charakterze ciekawostki w komunikatach prasowych. Firma 3DC próbuje tę narrację przeciąć bardzo stanowczo. Nie owija w bawełnę i deklaruje, że technologia trafi do masowej produkcji jeszcze w tym samym roku. Brzmi jak kolejna obietnica bez pokrycia, prawda? Jednak w tym przypadku mamy do czynienia z czymś więcej niż tylko koncepcyjnym prototypem.
Próbki materiału trafiły już bowiem na testy do wiodących światowych producentów akumulatorów, a całe przedsięwzięcie ma wsparcie koncernu Hyundai i jest osłonięte grubym murem z ponad pięćdziesięciu patentów. Czy więc to ten moment, w którym grafen wreszcie opuści bezpieczne laboratoria i zagości w naszych telefonach lub samochodach?
Graphene MesoSponge to gąbka zbudowana z atomów węgla
Sednem wynalazku jest jego unikalna struktura. Graphene MesoSponge (GMS) przypomina mikroskopijną gąbkę, której ściany mają grubość zaledwie jednego atomu węgla. Jest to zasadnicza różnica w porównaniu z płaskimi arkuszami grafenu, które są badane od lat. Trójwymiarowa, porowata sieć tworzy wewnątrz materiału swego rodzaju autostradę dla elektronów, a dzięki tej architekturze elektrony mogą się przemieszczać znacznie swobodniej niż w konwencjonalnych elektrodach. Można to porównać do zamiany wąskich, zakorkowanych uliczek na wielopasmową drogę ekspresową.
Co ciekawe, material ten podważa utarte przekonania o sztywności zaawansowanych struktur węglowych. GMS wykazuje zaskakującą elastyczność mechaniczną, co ułatwia jego łączenie z różnymi komponentami akumulatorów. Proces produkcyjny został z kolei tak opracowany, by materiał zawierał minimalne ilości końcowych grup funkcyjnych, co przekłada się na jego wysoką stabilność i trwałość chemiczną.
Więcej mocy i mniej degradacji w zasięgu Graphene MesoSponge
Podstawowa zaleta Graphene MesoSponge tkwi w tym, że radykalnie poprawia przewodność elektryczną wewnątrz elektrody, nie wymagając przy tym stosowania dodatkowych domieszek. Elektrony przemieszczają się po wzajemnie połączonych ścieżkach wewnątrz porowatej struktury, co skutecznie obniża opór. W praktyce przekłada się to na kilka namacalnych korzyści. Najważniejsze jest to, że akumulatory wykorzystujące GMS mogą bezpiecznie pracować przy wyższych napięciach, co bezpośrednio zwiększa ich pojemność. Specjalna mezostruktura materiału znacząco ogranicza również niepożądane zjawisko rozszerzania i kurczenia się elektrod podczas każdego cyklu ładowania, które jest głównym sprawcą stopniowej degradacji ogniw. Niższy opór elektroniczny i jonowy pozwala na szybsze oraz efektywniejsze ładowanie, a pusta przestrzeń wewnątrz gąbki daje możliwość tworzenia zaawansowanych kompozytów o wyjątkowo wysokiej pojemności. W efekcie możemy mówić o akumulatorach, które ładują się w kilka minut, dostarczają więcej energii i zachowują swoją pojemność przez znacznie dłuższy czas.
Czytaj też: Wrzucasz słomę, wyciągasz paliwo przyszłości. Ekologiczny wodór wreszcie tańszy od gazu
Na tym tle dobrze widać, czym Graphene MesoSponge różni się od większości dotychczasowych “ulepszaczy” akumulatorów. Zamiast dokładania kolejnych warstw materiałów pośrednich czy skomplikowanych domieszek, 3DC proponuje przebudowę samego szkieletu elektrody. Trójwymiarowa sieć grafenowych ścianek tworzy strukturę, w której elektrony nie muszą pokonywać kolejnych wąskich gardeł, a ruch jonów nie jest blokowany przez przypadkowe zatory w materiale. Dla inżyniera akumulatorów oznacza to, że można zacząć projektować ogniwa nie wokół ograniczeń, ale wokół pożądanych parametrów pracy, czyli wysokiej gęstości energii, dużych prądów ładowania i rozładowania oraz długiej żywotności.
W praktyce może to przełożyć się na zupełnie inną codzienną ergonomię korzystania z urządzeń zasilanych akumulatorowo. Ładowanie samochodu elektrycznego w czasie przerwy na kawę, a nie wielogodzinnego postoju czy smartfon zachowujący większość pierwotnej pojemności przez lata – to właśnie jest w zasięgu tego “dodatku do akumulatorów”. Co istotne, Graphene MesoSponge nie jest projektowany jako egzotyczny dodatek do jednej konkretnej chemii ogniw. Jego twórcy podkreślają, że ma pełnić rolę platformy, którą można łączyć z różnymi materiałami aktywnymi, od klasycznych katod litowo-jonowych po bardziej ambitne koncepcje, jak lit-metal czy krzemowe anody.
Czytaj też: Chiny pokonały blackouty. Już 12 krajów uwierzyło w ich dzieło
Duże znaczenie ma także wspomniana elastyczność mechaniczna. Tam, gdzie dotychczasowe rozwiązania pękały przy kolejnych cyklach ładowania, GMS zachowuje integralność struktury. To otwiera drogę nie tylko do trwalszych ogniw, lecz także do bardziej śmiałych form konstrukcyjnych: elektrod wyginanych, formowanych pod konkretne kształty obudowy czy integrowanych z elementami konstrukcyjnymi urządzenia. W świecie, w którym producenci elektroniki walczą o każdy milimetr grubości i każdy gram masy, możliwość wmontowania akumulatorów w strukturę produktu bez kompromisu w zakresie bezpieczeństwa staje się ogromnym atutem.
Długa droga od pomysłu do pilotażu
Prace nad materiałem rozpoczęły się niemal dekadę temu na japońskim Uniwersytecie Tohoku. Dopiero w 2022 roku, czyli po wielu latach badań, powołano do życia startup 3DC, którego celem stała się komercjalizacja technologii. Firma szybko pozyskała finansowanie z funduszy Open Innovation Hyundai i nawiązała współprace z czołowymi ośrodkami badawczymi na świecie. Obecnie 3DC działa w skali pilotażowej, a GMS jest już testowany przez większość liczących się graczy na rynku produkcji baterii.
Czytaj też: Rewolucja na rynku okien. Zapomnij o podłączaniu szyb do prądu
Ambitny plan zakłada, że jeszcze w 2026 roku produkcja pilotażowa ma przekształcić się w pełną, masową skalę. Gdyby ten harmonogram się powiódł, pierwsze komercyjne produkty z GMS mogłyby pojawić się na rynku w ciągu najbliższego roku. Wizja startupu sięga jednak znacznie dalej niż tylko akumulatory do elektroniki użytkowej. Materiał ma potencjalne zastosowania w zarządzaniu termiką półprzewodników, a sami twórcy snują plany o bateriach o żywotności sięgającej stu lat, które mogłyby odmienić rynek czystego transportu i magazynowania energii z OZE.
Czy to wreszcie ten upragniony przełom?
Patenty, wsparcie dużego koncernu i zainteresowanie producentów – to wszystko brzmi bardzo obiecująco. Historia technologii pełna jest jednak obietnic, które rozmyły się w drodze z laboratorium na sklepową półkę. Graphene MesoSponge prezentuje się przekonująco na papierze, a jego trójwymiarowa struktura wydaje się logiczną ewolucją dotychczasowych prac nad grafenem. Decydujący będzie jednak nadchodzący rok i to, czy startupowi uda się rzeczywiście uruchomić masową produkcję oraz czy same testy u potencjalnych klientów przełożą się na konkretne zamówienia. Jeśli tak się stanie, możemy być świadkiem wielkiej zmiany, a nie tylko kolejnej zapowiadanej rewolucji.