Zpět

Grafen, který je 200krát pevnější než ocel, je tvořen jednou vrstvou atomů uhlíku pevně spojených v šestihranné mřížce. Za jeho objev v roce 2004 získali Andre Geim a Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za fyziku. Vzhledem k tomu, že tento objev byl učiněn na univerzitě v Manchesteru, je příznačné, že se v tomto městě nachází národní centrum výzkumu a vývoje grafenu s celosvětovými vazbami. Díky mnoha již dokončeným nebo rozpracovaným projektům automobilek by mohlo být zaručeno mnohostranné budoucí využití grafenu v automobilovém průmyslu.

Centrum grafenového inženýrství a inovací (GEIC), které bylo otevřeno v prosinci 2018, doplňuje špičkový výzkum a vývoj v sousedním Národním institutu grafenu (NGI). Hlavní funkcí GEIC je vývoj grafenových prototypů pro komerční produkty. Během návštěvy časopisu Automotive World v GEIC jeho technický ředitel John Whittaker jasně řekl, co zpočátku vedlo ke komerčnímu rozvoji grafenu.

Nová technologie

„Průmysl potřeboval novou aplikovanou technologii. Výroba automobilů je již vysoce optimalizovaná, pokud jde o prvky, jako jsou turbokompresory, oleje, maziva, benzin a odlehčování.“ Grafen může nabídnout klíčové přírůstky. „Je to technologie, která může věci posunout o něco dál, “ dodává. Přesto tento materiál v prvních letech jeho vývoje provázela nejistota. „Použití grafenu bylo špatně pochopeno. Není to magická složka, která dokáže všechno. Je to aditivum, které vysoce doplňuje stávající procesy, a průmysl v tom nyní začíná být chytrý.“

 

Grafen má tloušťku jednoho atomu – a je 200krát pevnější než ocel

Grafen je v automobilovém průmyslu užitečnou součástí z mnoha důvodů. Má mimořádně vysokou pevnost v tahu, je extrémně lehký, má vysokou elektrickou vodivost a je tak tenký (milionkrát tenčí než lidský vlas), že jej lze považovat za dvourozměrný. Celosvětový trh s grafenem měl v roce 2012 hodnotu 9 milionů USD a podle společnosti Statista se do roku 2022 vyšplhá na 865 milionů USD. Globální poradenská společnost MarketsandMarkets, která se zabývá managementem, tvrdí, že trh s grafenem dosáhne do roku 2025 hodnoty 1,48 miliardy USD, přičemž největšími aplikačními odvětvími budou automobilový průmysl a doprava.

Partner GEIC, společnost Briggs Automotive Company (BAC), předvedl v roce 2011 možnosti grafenu v automobilovém průmyslu se svým vozem Mono, prvním sériovým automobilem na světě, který plně využívá grafenem vylepšená uhlíková vlákna v každém panelu karoserie. „Mono je drahý závodní vůz, ale byl reprezentativní ukázkou toho, co lze udělat,“ říká Whittaker. „Přizpůsobením uhlíkových vláken vylepšených grafenem dosáhl BAC výrazného snížení hmotnosti.“ Mono také využilo grafen ke zlepšení prodyšnosti výfukového systému, což přineslo výhody v oblasti brzdného výkonu. „Existuje mnoho postupných aplikací grafenu, které mohou vést ke zlepšení systému,“ dodává.

GEIC

GEIC navazuje na práci NGI, takže počáteční laboratorní testy lze podle potřeby dále realizovat a rozšiřovat. Tyto požadavky zahrnují začlenění grafenu do konkrétních výrobků a aplikací. „GEIC je veden průmyslem a spolupracuje se společnostmi a dodavatelským řetězcem s cílem urychlit uplatnění grafenové technologie,“ říká Whittaker.

Práce prováděné ve výrobních zařízeních GEIC zahrnují skladování energie. Whittaker naznačuje, že právě probíhající vývoj váčkových baterií je díky velikosti povrchu grafenu a jeho elektrické vodivosti škálovatelný pro použití v bateriích pro elektrická vozidla. Proces je složitý a zahrnuje pokrytí substrátu grafenovou kaší, která se následně vytvrzuje a vytváří funkční elektrody. Elektrody se před nastavením zařízení do požadovaného tvaru a přidáním elektrolytů rozmačkají, aby se optimalizovala vodivost. Poslední fází je test, který zajistí výkonnost článku.

Whittaker také zdůraznil, že grafen je recyklovatelná přísada. „V GEIC recyklovaný primární polymer ztratí výkonnost, ale po doplnění malým množstvím grafenu může být polymer doplněn na plnou sílu. Grafen má v životním cyklu materiálu klíčovou funkci.“ Existuje řada způsobů, jak získat uhlík z jiných materiálů. Vyzdvihl například metodu bleskového Jouleova ohřevu – rychlé zahřátí materiálů ve vakuu na mimořádně vysokou teplotu během milisekund -, která dokáže přeměnit plast na grafen. „Grafen je možné získat také z použitého dřevěného uhlí.“

GEIC již navázala četné vztahy s výrobci OEM, včetně společností Bentley a Ford. „Ford potřeboval tepelně řízený polymer na elektrickém rozvodu. Společnost GEIC vyrobila něco lehčího, levnějšího a odolnějšího, než co používala dříve.“ Společnost Ford poté implementovala polymer s grafenem do 5,2 milionu amerických vozidel. Jako další výhodu lze uvést, že materiál snížil akustiku v kabině o 17 decibelů. „Jednoduše řečeno, pokud se malé množství polymeru rozšíří grafenem, místo aby se použil polymer samotný, sníží se výrobní náklady a zlepší se výkon.“

Budoucí rozvoj

Whittaker vidí konkrétní oblasti budoucího růstu a uvádí řadu oblastí, v nichž může grafen přispět: „Grafen může mít obrovský vliv na úsporu energie v superkondenzátorech, výkonnost moderních baterií v elektrických vozidlech, pomalejší degradaci pneumatik a tepelný management a životnost součástek.“ To však zdaleka není hranice možného využití tohoto materiálu. Další projekty GEIC zahrnují pokroky v brzdových systémech s grafenem, zvýšení vodivosti anod a katod baterií, zlepšení výkonu sodíko-iontových baterií a vylepšení haptických rozhraní dotykových obrazovek.

Díky mnoha potenciálním inovacím a aplikacím by se grafen mohl stát důležitým materiálem pro automobilový průmysl. Whittaker dochází k závěru, že ekonomické a technologické argumenty pro jeho začlenění do výroby vozidel jsou jasné. „Grafen je nyní komerčně životaschopný: je mnohem levnější než dříve a výrobce automobilů ho nepotřebuje mnoho.“ Ačkoli se jeho plný dopad teprve ukáže, důsledky grafenu pro budoucnost elektromobility by mohly být hluboké.

 

Zdroj: automotiveworld.com