Aplicațiile de ultimă oră pe bază de grafenă au ca țintă dezvoltarea de acumulatori cu încărcare rapidă pentru automobilele electrice și telefoanele mobile, de catalizatori pentru pilele de combustibil, de electrozi transparenți care înlocuiesc ITO (oxidul de iridiu) în celulele solare sau sunt folosiți în afișajele flexibile și electronica flexibilă (tranzistori, RFID, senzori).
Unele țări precum SUA, Coreea de Sud, Singapore, Anglia, Spania, Franța și Germania au început deja propriile programe de cercetare dedicate grafenei. Performanțele grafenei obținute pe suport folosind tehnici precum creșterea epitaxială pe substrat de SiC sau depunerea chimică din faza de vapori sunt modeste în comparație cu exfolierea de grafenă direct din grafit. În prezent, la nivel european, multe centre de cercetare se concentrează în această direcție, fără de care viitorul aplicațiilor pe materiale grafenice va fi nesigur.
Mașinile hybrid sau electrice au căpătat în ultimii ani un start favorabil în întreaga lume. La acest moment, aproape toți producătorii auto consacrați au cel puțin un model electric în ofertă sau lucrează la acesta. Chevrolet Volt, Ford C Max, Toyota Prius, Chevrolet Spark EV, Fiat 500 E, BMW i3, BMV i8, Tesla Model S, Nissan Leaf, Ford Focus Electric, Honda Fit EV sau Mitsubishi Outlander PHEV sunt doar câteva dintre mașinile hybrid sau electrice deja lansate pe piață.
În același timp, cu un aport crescut de inovații privind limitarea poluării în domeniul fabricării de vehiculele pe benzină, diesel și gaz natural, producătorii de automobile din prezent construiesc mașini mult mai bune decât cele produse anterior. Ca exemplu, fiecare nou automobil emite mai puțin CO2, fiind clar specificate la nivel legislativ o serie de norme stricte în acest sens.
Așa-numitul efect de seră, considerat ca fiind cauza majoră a încălzirii globale și a creșterii nivelului mării, reprezintă originea schimbării climatice, observat în ultimele decenii. Conform măsurătorilor, la nivel mondial, emisiile de CO2 reprezintă aproape 6 Gt/an (în termeni greutate carbon) și se preconizează o creștere de până la 9.7 Gt în 2015. Astfel, până în 2020, normele UE vor impune producătorilor auto o medie a nivelului emisiilor de 98 g/km CO2.
Soluția problemei reprezentate de producerea energiei folosită de mașinile electrice este utilizarea pe scară cât mai largă a surselor alternative de energie. Aceste tehnologii evoluează cu beneficii certe, trebuie să fie doar implementate până la dispariția dependenței de petrol.
Producerea acumulatorilor pentru mașinile electrice, utilizarea și reciclarea lor sunt în esență procese poluante. Dacă până recent, mașinile electrice foloseau acumulatori plumb-acid, cu efecte serioase asupra mediului și a sănătății oamenilor, în prezent se folosesc acumulatorii litiu-ion.
Bateriile litiu-ion folosesc pe post de catod oxidul de litiu-cobalt, iar ca anod, grafitul. Din aceștia rezultă o energie de 200+ Wh/kg, o bună densitate a puterii și eficiență de 80-90% la încărcare/descărcare. Partea negativă a acestor acumulatori este reprezentată de un ciclu scurt de viață și o degradare rapidă. În plus, catodul este toxic și există pericolul izbucnirii unor incendii în cazul perforării sau a unei încărcări neadecvate.
Studiile asupra amprentei-eco a mașinilor electrice au arătat că bateriile litiu-ion au un impact moderat asupra mediului – cel mult un procent de 15% al întregului impact poate fi atribuit bateriilor (incluzând aici producerea, întreținerea și reciclarea). Jumătate din această cifră a poluării rezultă din prelucrarea materiilor prime – cuprul și aluminiul. Producerea litiului este responsabilă de 2,3% din total.
Noi oportunități privind sistemele eficiente de stocare a energiei sub formă de materiale grafenice
Problematica bine-cunoscută a energiei la nivel structural implică o tranziție treptată de la un sistem bazat pe zăcăminte primare de combustibili fosili către soluții sustenabile și lipsite de impact nociv asupra mediului. Extrem de mari eforturi de cercetare și investiții corespunzătoare sunt implicate în pilele de combustibil cu membrane schimbătoare de protoni PEMFC, ca sursă alternativă de energie și ca echipament de conversie a energiei chimice a hidrogenului în energie electrică.
În ciuda numeroaselor upgradări ale tehnologiei de realizare a PEMFC, există încă o nevoie stringentă de creștere a stabilității catalitice și a durabilității, dar și a scăderii costurilor de producție. În particular, electrocatalizătorii pe suport carbonic sunt un element cheie în upgradarea performanțelor PEMFC.
De cele mai multe ori, așa-numitul carbon black (CB) este cel mai utilizat material de suport, chiar dacă prezintă serioase probleme de coroziune intrinsecă în condițiile specifice de lucru. Ca alternativă, nanotuburile de carbon au atras un uriaș interes ca și material de suport catalitic datorită proprietăților electrice și structurale unice. O altă alternativă interesantă ce a concentrat eforturi de cercetare au reprezentat-o sitele moleculare carbonice datorită unei distribuții uniforme a porilor.
Ideea de bază în demersul de amorsare a acestei activități exploratorii o constituie utilizarea grafenelor ca material suport pentru catalizatorii de platină pentru electrozii pilelor de combustibil, ce sunt realizați în ICSI Rm. Vâlcea, având ca efect așteptat îmbunătățirea activității catalitice și scăderea gradului de încărcare cu platină. Grafenele pot fi obținute cu ajutorul exfolierii grafitului funcționalizat prin oxidare (oxid de grafit), urmată de reducerea oxidului de grafenă.
Materialele grafenice sunt considerate candidate promițătoare pentru aplicații în domeniul stocării energiei, nano-electronică și compozite. Oxidul de grafenă, (graphene oxide, GO), pare a fi cel mai important derivat al grafenei, cu aplicații recente în domeniul energiei. Studiile experimentale recente asupra proprietăților mecanice ale GO evidențiază proprietățile mecanice deosebite ale acestui material: modul Young între 22-42 GPa și rezistența la întindere (tensile strength) între 43-130 Mpa – valori semnificativ mai mari decât cele ale materialelor uzuale.
Motivele pentru care grafenele prezintă un mare interes pentru nanotehnologii sunt date de structura lor bidimensională (2D) combinată cu proprietățile electronice, optice și mecanice deosebite. Comportarea electronică a grafenelor la nivel molecular arată că grafenele sunt capabile să conducă electricitatea chiar la concentrație zero a purtătorilor de sarcină, datorită electronilor delocalizați din jurul atomilor de carbon, care alcătuiesc rețeaua hexagonală a foiței de grafenă.
În aceste structuri au fost puse în evidență particule fără masă, quasiparticule denumite fermioni Dirac, care se produc datorită interacției electronilor delocalizați în rețeaua grafenei. Conducția electronică în acest tip de material nu se oprește niciodată și electronii circulă mai rapid decât în alt tip de semiconductori.
Cercetători din cadrul Universitatii Monash, Departamentul de Inginerie a Materialelor, Clayton, au declarat următoarele:
Sistemele de stocare foarte rapide, stabile și ieftine sunt foarte importante pentru viitorul reprezentat de electricitatea obținută din surse regenerabile. Aceste sisteme sunt cheia adoptării la scară largă a vehiculelor electrice
În concluzie, evidențierea vehiculelor electrice ca parte integrantă în viitorul omenirii este condiționată de utilizarea unor surse curate de energie în ceea ce privește alimentarea lor, dar și de identificarea unor modalități de stocare a energiei mai eficiente și mai puțin poluante.
