Medan våra prylar nuförtiden ständigt blir mindre och kraftfullare, Utvecklingen av kommersiella batterier, både tillräckligt små och med tillräcklig kapacitet för att möta deras strömkrävande behov, har inte riktigt hängt med.

De flesta människor har hört talas om litiumjonbatterier (Li-ion). De finns i nästan alla mobila elektroniska enheter – från din mobiltelefon och bärbara dator, genom att backa upp strömförsörjning på jetplan och till och med rymdfarkoster. Överraskande dock trots denna stora efterfrågan, den grundläggande utformningen av Li-ion-batterier har förblivit i stort sett lika under de senaste åren.

Batteritiden är ofta den begränsande faktorn i många befintliga och experimentella applikationer. Det är nyckeln för framtiden för teknologier som elbilar, och för energilagring med hög kapacitet för förnybara energikällor som vind- och solenergi. Faktum är att den relativt långsamma utvecklingen med att utveckla nya batterier har lett till att många elektroniktillverkare har försökt att minska eller behålla sina produkters effektbehov för att hitta en balans.

Vilket inte är att säga att det inte finns någon forskning om nya energilagringstekniker. Långt därifrån faktiskt. Under de senaste decennierna har det skett en explosion av forskning inom detta område. Inte överraskande, en hel del av detta kretsar kring att förbättra Li-ion-batterier. Det nya "undermaterialet" grafen har också föreslagits som en möjlig nyckel till lösningen. Graphene har ett antal intressanta egenskaper som har lett forskare att antingen modifiera komponenter i litiumjonbatterier, eller använda grafen som energilagringsmedium istället som lovande lösningar.

Lägg bara till grafen

Grafen har också använts för att utveckla elektroniska enheter med extremt låga effektkrav. Detta är möjligt (delvis) eftersom ren grafen har den lägsta resistiviteten av något känt material vid rumstemperatur - enheter gjorda av ren grafen kan leda elektricitet mer effektivt än något annat material (vid rumstemperatur). Som en konsekvens, mycket lite energi går till spillo.

Enheter byggda med grafen skulle inte uppleva samma problem med uppvärmning som dagens elektronik möter - de kan fungera på obestämd tid med mycket liten temperaturökning. Värme är dåligt för elektroniken; det betyder att energi går till spillo och det tjänar ofta till att minska enhetens effektivitet ytterligare när den värms upp. Ren grafen eliminerar praktiskt taget energiförluster av detta slag, vilket gör enheter som produceras av den extremt energieffektiva. För konsumentelektronik, detta kan innebära betydligt kraftfullare enheter med kraftigt förbättrad batteritid – ett win-win-scenario om det någonsin fanns ett.

Vad mer, studier tyder på att användning av grafen för att ersätta eller förbättra komponenter i Li-ion-batterier avsevärt kan förbättra batteriets energitäthet och livslängd. En populär teknik har varit att göra anoder eller katoder i litiumjonbatterier av grafen.

Ditt nästa batteri kan vara en superkondensator

En annan teknik är att använda grafen som själva energilagringsmediet. Detta har använts för att konstruera superkondensatorer-kanske den starkaste framtida konkurrenten till litiumjonbatterier i användningar som kräver mycket snabb laddningstid, som i fallet med elbilar.

Detta är utan tvekan deras kritiska egenskap. En superkondensator kan gå från helt urladdat till fulladdat många storleksordningar snabbare än jämförbara Li-ion-batterier. I detta sammanhang, det är den stora ytan av grafen som är viktig, eftersom mängden laddning som kan lagras är relaterad till ytan på materialen som den är gjord av. Så igen, grafen är idealiskt.

Trots superkondensatorers potential att utmana det allestädes närvarande Li-ion-batteriet, nuvarande superkondensatorer är alltid för stora och för dyra för att ersätta dem i samma roller. Dock, prototyper indikerar att supraledare kan uppfylla de krav som krävs för att ersätta konventionella batterier inom en inte alltför avlägsen framtid.

I sista hand, utmaningen med någon av dessa prototyper är förmågan att skala produktionen för att möta kraven från konsumentelektronikindustrin. Grafenbaserade lösningar har hittills varit notoriskt svåra att tillverka i stor skala, delvis tack vare svårigheten att isolera högkvalitativt grafen. Ändå, framtiden för energilagring och energieffektiv teknik ser ljus ut. Oavsett om grafen i slutändan spelar en roll i revolutionen eller inte, Det är uppenbart att forskningen om dessa tekniker så småningom kommer att leda till introduktionen av billigare och mer hållbara produkter med högre kapacitet.

Det är ingen underdrift att säga att en energirevolution väntar som ett resultat av nästa generations energilagringsenheter, vilket kan hjälpa till att inleda en ålder av fullt elektriska fordon, storskalig förnybar energiproduktion och slutet på vårt beroende av fossila bränslen.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).