A cikk kelt: 2019 április 1-én, bolondok napján!
Ma reggel egy máris nagy sajtóvisszhangot kiváltó bejelentést történt a Costa Rica-i állami egyetemen, a Universidad de Costa Rica-n. Az egyetem vegyipari tanszékének professzora nem kevesebbet állít, mint hogy sikerült áttörést elérni a grafén-elektródás akkumulátorok gyártása terén, melynek hála a jövőben nagy mennyiségben és olcsón tudják gyártani ezeket – banánból!
Bár első hallásra április elsejei tréfának tűnik az ötlet, érdemes elolvasni a részleteket, mert amint azt a professzor is elmondta az előadásában, az ötlet valójában egy füvező hallgatójától származik, aki a grafén-előállítás nehézségeit taglaló előadása közben kiabálta be a banánt, mint megoldást: annó 1879-ben Thomas Alva Edison, az izzólámpa feltalálója is a banán-rost felhasználásával készítette el az első működő izzólámpáját. Hogy a későbbiekben elhangzott szakmai részleteket jobban megértsük, pár mondatban térjünk ki a grafén akkumulátorokra.
A grafén a szén egyik allotróp módosulata a grafit, korom és a gyémánt mellett; ugyanazt az elemi szenet tartalmazza mindegyik, csak míg a gyémánt tetraéderes formában tartalmazza a szénatomokat, addig a korom és a termés-szén rendezetlen kristályszerkezetű. A grafit, és a nevében hasonló grafén azonban hatszögletű, ún. hexagonális kristályszerkezetű anyag; csak amíg a grafén egyetlen egy ilyen hatszögletű atomrétegből áll, a grafitban több millió ilyen kristályréteg van egymáson, amelyek a legkisebb erő hatására is könnyen elcsúsznak egymáson, ezért is lehet a grafit-ceruzával rajzolni.
Maga a hatszögletű, ún. hexagonális kristályszerkezet azért lényeges, mert a gyűrű alakba rendeződő atomok vegyérték-elektronjai nem kötöttek, hanem közösek a 6 db, gyűrűt alkotó atomja számára, így a legkisebb külső elektromos potenciál hatására is gyorsan helyet tudnak változtatni a gyűrűn belül, és ehhez nem kell atomról-atomra átugrálniuk. Pont ezt a szupravezetéshez hasonló hatást használják ki a már eddig is létező grafén-elektródás akkumulátorok, melyek akár tízszer nagyobb áram leadására vagy felvételére is képesek.
A grafén elektródás akkumulátorok szélesebb körű elterjedését az akadályozza, hogy a 170 pikométer (10-12) méretű szénatomokat nem lehet csak úgy hatszögletű alakba elrendezni, ezért jelenleg csak labor körülmények közepette lehetett előállítani grafént kis mennyiségben; legutóbb 2010-ben Nobel–díjjal jutalmaztak két fizikust, amiért a többrétegű grafitból speciális ragasztószalaggal (!) rétegeket leválasztva sikerült egyetlen atom vastagságú grafén-réteget leválasztaniuk még 2004-ben.
Természetesen nem kell egy grafén-elektródás akkumulátorba egyetlen réteg vastag elektróda; sőt jobb is, ha több ezer réteg van belőle egymáson, de az fontos, hogy ezek a rétegek párhuzamosak legyenek egymással. Így sem a pirolízis (vákuum alatt történő izzítás) útján, gyűrűs szénhidrogénekből (dekalin, ciklohexén, benzol) előállított grafén-gyűrűk nem jók, mert ezek minden irányban állnak; ahogy az amúgy is drága grafitból sem lenne túl termelékeny rétegeket egyesével átragasztani az ipari mennyiségű grafén-akkumulátor gyártásához. (A tiszta grafit nagyon jó kohó-elektróda anyag, pl. az alumínium előállításához is nagy mennyiségben használják fel az olvadt timföld elektrolíziséhez, ezért nagyon drága.)
Itt adnánk vissza a szót a professzornak, aki mindezek gyors felvázolása után folytatta a történetét: annó 1879-ben Thomas Alva Edison is azért a banán rostjaival tudott izzólámpát csinálni, mert a banánhéj rostszerkezete nagyon szívós, tetszőleges alakra formázható, majd vákuumban feszültséget ráadva és ezzel kiizzítva csak a szénszerkezet maradt meg, a pirolízis miatt az összes gáznemű összetevőt kiszivattyúzásra került. A professzor ezért vizsgálni kezdte a banán sok hexagonális szerkezetű gyümölcscukrot (fruktóz) tartalmazó héját, és több meglepő felfedezést tett.
Az első előnyös tulajdonsága a banánhéjnak, hogy a sejtszerkezetében található víz, mint kenőanyag révén rendkívül vékonyra hengerelhető, miközben a fruktóz-tartalmában lévő hexagonális gyűrűk is egy síkba állnak be. Ráadásul a rostszerkezet miatt ezek a széngyűrűk pontosan azonos távolságra vannak egymástól, mert a másodlagos hidrogénkötések képesek rugalmasan megnyúlni – ugyanez miatt lesz sok anyag műanyag is rugalmas. A pirolízis során a fruktóz-molekulán lévő hidrogén és oxigén atomok leválnak, és megmarad a szabályos és párhuzamos hexagonális széngyűrű-hálózat.
További előnyös tulajdonsága, hogy a klímaváltozás miatt melegedő és párásodó termő-területeken több károkozó gombafajta is felütötte a fejét, előbb a Panama-kór, majd az újabb gombabetegségek hullámai miatt a teljes banántermés jelentős része nem alkalmas emberi fogyasztásra, mert foltosodik, gyorsan megbarnul és ehetetlen állapotba kerül. A legnagyobb banán-termelő országban, Ruandában például két millió tonna gyümölcs terem évente és ennek csak kis része hasznosítható ehető gyümölcs formájában. A többi, levél, szár, héj, mind hulladék és megsemmisítése óriási probléma. Próbálkoznak a brikettálással ill. a szerves hulladékként a bioreaktorokban történő elgázosítással, de ez sem megoldás.
A vegyészprofesszor által kidolgozott módszer lényege az, hogy ezeket az amúgy nem hasznosítható hulladékokat először ledarálják, hogy rövidebb rostokat kapjanak, aztán henger-prések között 100 mikron vastag szalaggá préselik, majd kiszárítják. A lítium-akkumulátorok hagyományos gyártástechnológiájában kormot vagy grafitot visznek fel az egyik elektródára feltekercselés előtt; ehelyett ezt a préselt, műanyagfólia-szerű fóliát használják. Az elkészült akkumulátorokat pedig ismételten prés alá helyezik, majd a fólia két végére rövid idejű, nagy áramimpulzust adva vákuumban pirolizálják, kiégetik a szerves komponenseket.
Bár az áram hatására pár századmásodperc idejére 900-1200 °C-ra melegszik a banánhéj-réteg, maga a teljes akkumulátor nem melegszik 60 °C fölé, így nem károsodnak az elektrolit összetevői sem, ill. a vákuum hatására a keletkező hidrogén és oxigén is azonnal távozik a szerkezetből. Az eredetileg 100 mikron vastag banánhéj-réteg meg az izzítás és préselés alatt akár a tizedére-huszadára is elvékonyodik, így harmadára csökken a vastagsága, mint a hagyományos gyártási módszereknél a vastagságát nem változtató grafit vagy korom. Külön előny, hogy a préseléses pirolízis alatt kialakuló hatszögletű szénrácsba az izzítás által felmelegített elektrolitot is benyomja a prés, így a grafén szénrácsot nem csak egy oldalról éri az elektrolit, hanem annak szerves részeként, hálószerűen átszövi, jelentősen lecsökkentve az átmeneti ellenállást az áramleadó felület megnövekedésének hála.
A megoldás nem csak hogy olcsó, hanem könnyen integrálható is a jelenlegi akkumulátor gyártási folyamatba. Az elektrolitbe szervesen beágyazodó grafén-háló miatt különösen jó eredményeket ad a szilárdtest-akkumulátorok esetén, amelyek nagyon alacsony áramleadási képességét azonnal megtízszerezve közvetlenül alkalmas az elektromos autók meghajtására, nem igényli szuperkondezátoros energiapuffer egységek beépítését, így a Volkswagen máris sajtónyilatkozatban jelezte, hogy érdekelné a jelenlegi szilárdtest-akkumulátor fejlesztéseinek kiegészítésére.
Rossz hír ez az Elon Musk vezette Teslának két okból is: részint az izzításos gyártástechnológia miatt három elektróda kell az akkumulátorokra, hiszen az egyik elektródát (ahol a babánhéj-réteg van), dupla elektróddal kell ellátni, hogy a gyártás utolsó fázisában az átfolyó árammal ki lehessen izzítani a banánhéj-réteget. Persze ez után a dupla elektróda közösíthető, viszont a hengeres cellákkal nem oldható meg a 3 elektródás kivitel, mert egy hengernek csak két vége van, míg az európai gyártók és az LG-Chem által gyártott zacskós akkumulátorokon könnyen megoldható az új, 3. elektróda elhelyezése. Másrészt nem várt helyről és nem a legjobb pillanatban kapott egy nagy konkurenciát, hiszen a Volkswagen-csoport épp az akkugyártásul felfuttatásánál tart, így könnyedén be tudja integrálni ezt az új szabadalmat a gyártásába, míg a Teslának gyorsan valami mást kellene kitalálnia a hengeres cellák helyett.
Kelt: 2019. április 1.
Tehát most már elárulhatjuk, hogy Péter csak viccnek szánta az egészet: „Most így éjfél után már elárulhatom, hogy ma sem úsztátok meg az aktuális hülyeségemet: az egyik április elsejei tréfának én vagyok az elkövetője! Nem kis vállalkozás volt elhitetni pár emberrel, hogy banánból (!) lehet grafén akkumulátort csinálni, de ezt a banális hülyeséget is lehetett úgy tálalni a tudományos alaposságom (vagy áltudományos marhaságom) által, hogy pár olvasóm az utolsó pillanatig kétségek közt lebegett, hogy ez most igaz vagy kamu? Szóval jó szórakozást az íráshoz, én meg jól szórakozom a kommenteken, főleg az „Elektromos autó tippek és kérdések” csoportban… „
