(Phys.org) —Graphene – världens tunnaste material isolerat vid University of Manchester – kan göra batterier lätta, hållbar och lämplig för energilagring med hög kapacitet från förnybar produktion.

Manchester är grafenens hem, eftersom den "tvådimensionella" enatomtjocka kolallotropen först isolerades här 2004. University of Manchester är ett kraftpaket för tillämpad och grundläggande grafenforskning, med National Graphene Institute i spetsen.

Grafen lovar en revolution inom elektro- och kemiteknik. Det är en kraftfull ledare, extremt lätt, kemiskt inert och flexibel med stor yta. Det kan vara den perfekta kandidaten för energilagring med hög kapacitet.

Strax efter grafenens isolering, tidig forskning har redan visat att litiumbatterier med grafen i sina elektroder hade en större kapacitet och livslängd än standardkonstruktioner.

Ett nytt projekt "Electrochemical Energy Storage with Graphene-Enabled Materials" utforskar olika sätt att minska storleken och vikten på batterier och förlänga deras livslängd genom att lägga till grafen som ett komponentmaterial.

"Men innan vi bygger batterierna måste vi veta hur grafen kommer att interagera med de kemiska komponenterna - speciellt elektrolyter, " kommenterar professor Andrew Forsyth från School of Electronics and Electrical Engineering.

Hans kollega professor Robert Dryfe från School of Chemistry utför experiment för att analysera de kemiska interaktionerna mellan grafen och litiumjoner. Professor Dryfe undersöker också hur snabbt elektroner överförs över grafen och storleken på kapacitansen - mängden elektrisk energi som kan lagras på grafenytor.

Akademikerna samarbetar med ett antal kommersiella partners, inklusive Rolls-Royce, Sharp och Morgan Advanced Materials. Kommersiellt partnerskap är avgörande för att utveckla framtida tillämpningar av grafen. Graphene@Manchester arbetar för närvarande med mer än 30 företag från hela världen med forskningsprojekt och ansökningar.

Ett annat fokus för projektet är grafenbaserade superkondensatorer, som tenderar att ha hög effektkapacitet och längre livslängd än batterier, men lägre energilagringskapacitet. Ändå, de lovar mycket att komplettera batterier som en del av en integrerad lagringslösning.

Enligt professor Forsyth kan en kombination av grafenbatterier och superkondensatorer ge elbilsförsäljningen en rejäl skjuts. Idag drivs dessa miljöbilar på batterier som väger 200 kg – så mycket som tre passagerare. Genom att minska batteriernas vikt bör grafen öka fordonseffektiviteten och öka elbilarnas räckvidd till över 100 km – en begränsning som för närvarande förhindrar deras utbredda upptag.

"Om vi ​​kan utöka avstånden som bilar kan färdas mellan laddningspunkter kommer vi omedelbart att göra dem mer populära, " Professor Forsyth konstaterar. "Men hur kommer batterierna att klara av de verkliga påfrestningarna av körning? Elbilar – som alla andra fordon – körs inte smidigt. Dramatiska toppar i effektbehovet när förare accelererar kommer att stressa batteriet och potentiellt begränsa dess livslängd."

För att testa om prototypgrafenbatterier och superkondensatorer klarar jobbet, Professor Forsyth kommer att utsätta dem för verkliga påfrestningar som efterliknar olika körprofiler. "Vi kan till och med testa tekniken för att köra i extrema väderförhållanden, " tillade han. "Många batterier kämpar för att prestera i kalla förhållanden, men vår väderkammare kommer att avslöja eventuella svagheter."

Självklart, grafenbaserad lagring är inte begränsad till transport. Det kan spela en stor roll i framtiden för National Grid när Storbritannien blir allt mer beroende av förnybar energi. "Om vi ​​förlitar oss på sol- och vindkraft för att producera energi, vad kommer att hända när moln blockerar solen och vinden bara är en bris?" frågar professor Forsyth. "Om vi ​​kan utveckla högkapacitets elektrisk lagring, operatörer kommer att kunna lagra el för tider med låg produktion."

Ett batteri- och omvandlarsystem i nätskala installeras på Manchesters campus för att testa storskalig elektrisk lagring. Forskare kommer att använda batterisystemet för att utveckla metoder för att kontrollera flödet av el och förena skillnader mellan elproduktion och lokal efterfrågan.