De opvolger van de lithium-ion batterij – het hart van de elektrische auto – lijkt al klaar te staan. Er wordt immers veel verwacht van een batterijpakket van grafeen. Maar wat is grafeen precies? En hoe zit het met de recyclebaarheid van dit bijzondere en zeer divers toepasbare materiaal?

Tekst Jens Holierhoek

Fotografie BAC Mono en Sylvia Germes

De elektrische auto staat aan de avond van een doorbraak. De komende vijf jaar wachten er namelijk zo’n 130 EV’s op hun marktintroductie. En dat zijn alleen nog maar de aangekondigde modellen van merken. Volgens het Internationaal Monetair Fonds en de Universiteit van Georgetown zal de hausse aan elektrische auto’s wereldwijd de komende decennia zo groot zijn dat in 2040 zeker 90 procent van alle auto’s in westerse landen op stroom rijdt. De vraag is echter of al die elektromodellen voorzien zullen zijn van batterijtechnologie die voortborduurt op de huidige lithium-ion batterij. Er wordt namelijk veel verwacht van de zogenaamde ‘solid-state’-batterij, gemaakt op basis van grafeen.

Multi-talent

Dat grafeen als een nieuw wondermateriaal wordt gezien om batterijen voor elektrische auto’s uit op te bouwen is niet zo verwonderlijk. Het geleidt elektriciteit perfect. In een minuut of tien kan een rijbereik van duizend kilometer worden ‘getankt’. Maar grafeen heeft ook andere eigenschappen waardoor de auto-industrie reikhalzend uitkijkt naar nieuwe toepassingen van het materiaal. Grafeen is ultradun – dunner dan papier – en enorm sterk.

Het is sterker dan diamant en meer dan honderd keer sterker dan staal. En dan is het ook nog eens buigzamer dan rubber, doorzichtig en het heeft een zeer goede akoestische demping. Nog een eigenschap? Het laat geen gassen en vloeistoffen door.

Automotive-toepassingen

Ford heeft grafeen al ontdekt als nieuw materiaal voor haar auto’s. Gezien het stevige prijskaartje gebruikt het zeer kleine hoeveelheden en alleen in de afdekkappen voor pompen en motoren. Met nog geen half procent van het wondermateriaal kan het flinke verbeteringen realiseren op het gebied van geluidwering, duurzaamheid en gewichtsreductie, zo klinkt het. Door grafeen te mengen met schuim verbeteren de geluidsreductie, mechanische eigenschappen en hitteweerstand tussen de 17 en 30 procent.

Omdat grafeen pas vijftien jaar geleden is ontdekt, zijn vooraanstaande instituten wereldwijd nog altijd aan het onderzoeken welke toepassingen er mogelijk zijn

Naast Ford is er nog een fabrikant mee bezig. Een aantal jaar geleden presenteerde het Britse Briggs Automotive Company (BAC) haar BAC Mono. De eenzits sportwagen is voorzien van lichtgewicht panelen, waarin grafeen is verwerkt. Het composietmateriaal is liefst 20 keer lichter dan koolstofvezel, dat op zijn beurt de helft van staal weegt.

Superkrachten

Grafeen is simpel gesteld een ultradun laagje grafiet. Het materiaal dat ook in een potlood zit. Net als diamant is het een vorm van carbon (koolstof), al zijn de atomen anders gerangschikt. Grafeen is een honingraat van koolstofatomen. Als het grafeen van het grafiet is geïsoleerd krijgt het z’n superkrachten. Slechts één atoom dik is het ’s werelds eerste materiaal dat tweedimensionaal is. Althans, waarvan de wetenschap het bestaan kent. In 2004 lukte het Andre Geim en Konstantin Novoselov van de Universiteit van Manchester als eersten om een flinterdun laagje grafeen te produceren. Niet met een ingewikkeld apparaat, maar gewoon met een plakbandje. Het duurde echter tot 2010 tot de twee wetenschappers werden beloond met de Nobelprijs voor Fysica. De wetenschappelijke wereld – inclusief het gezaghebbende tijdschrift Nature – geloofde aanvankelijk maar weinig van de ontdekking.

Tal van toepassingen

Omdat grafeen pas vijftien jaar geleden is ontdekt, zijn vooraanstaande instituten wereldwijd nog altijd aan het onderzoeken welke toepassingen er mogelijk zijn. Vooralsnog is het duur en ingewikkeld om grote vlakken grafeen te produceren. Voor massaproductie lijkt het nog niet geschikt. Afhankelijk van de uitkomsten van die onderzoeken gaan we grafeen waarschijnlijk terugzien in de auto-industrie, in de luchtvaart maar ook in zonnecellen, draagbare elektronica, computers, in halfgeleiders en zelfs in de filtering van ons water. Voorlopers in grafeen-onderzoek zijn onder meer de universiteiten van Manchester, Cambridge, MIT en de TU Delft.

De doorbraak lonkt

De Delftse onderzoekers werken bijvoorbeeld aan een techniek waarbij de productiekosten met een factor duizend afnemen. De Universiteit van Sunderland is momenteel bezig met een proefproject in Japan. In een fabrieksopstelling werkt het aan autobumpers waarin grafeen is verwerkt. De bumpers absorberen tot 40 procent beter energie dan normaal. Volgens Ahmed Elmarakbi, als professor in de automotive composieten verbonden aan de Britse universiteit, is grafeen – als onderdeel van een composiet – bruikbaar in ontelbare automotive-toepassingen. “Van structurele toepassingen tot deuren of het chassis, elk onderdeel van de structuur die nu van staal of aluminum wordt gemaakt, kan worden vervangen.” De professor denkt dat een batterijpakket met grafeen tot de helft kleiner kan zijn, met dezelfde capaciteit.

Onderzoek

Ook aan de Rijksuniversiteit Groningen doet men belangrijk onderzoek naar grafeen. Prof. Dr. Meike Stöhr werkt in haar onderzoeksgroep aan de elektronische eigenschappen van het materiaal. Het doel is om grafeen geschikt te maken voor toepassing in hoogwaardige elektronische apparaten. In mobieltjes, computers, maar dus ook in de toenemende elektronica in onze auto’s. “Grafeen heeft geen ‘band gap’ [bandkloof, red.] zoals silicium, dat momenteel gebruikt wordt in smartphones en computers. Grafeen wil áltijd geleiden zodat er continu stroom doorheen gaat. Het kan niet aan of uit, zoals silicium dat kan. We proberen zo’n ‘band gap’ te introduceren door te werken met organische moleculen die moeten gaan interacteren met het grafeen.”

Prof. Dr. Meike Stöhr: “Grafeen wordt nu al door sommige bedrijven geproduceerd. De vraag is alleen hoe goed de kwaliteit is”

Heilige graal

Stöhr beaamt dat grafeen een wondermateriaal is: “Alle individuele eigenschappen van grafeen vind je ook in andere materialen, maar de combinatie ervan in één materiaal is uniek, zeker omdat bijna alle eigenschappen superieur zijn aan andere materialen”. De heilige graal of niet, ze durft geen tijdslijn uit te stippelen voor de toepasbaarheid op grote schaal. “Het is lastig om te voorspellen wanneer grafeen doorbreekt. De uitkomsten van onderzoek zijn niet altijd wat je verwacht. Het mooie daaraan is dat je soms op mooie nieuwe zijwegen komt, waarbij onverwachte toepassingen worden ontdekt.” Toepassing op kleinere schaal, of in simpele vormen, ziet zij wel als mogelijkheid op de korte termijn.

“Alle individuele eigenschappen van grafeen vind je ook in andere materialen, maar de combinatie ervan in één materiaal is uniek, zeker omdat bijna alle eigenschappen superieur zijn aan andere materialen”

“Grafeen wordt nu al door sommige bedrijven geproduceerd. De vraag is alleen hoe goed de kwaliteit is. Als je niet geïnteresseerd bent om de hoogste kwaliteit grafeen te produceren, dan is het relatief makkelijk om te maken. Het hoeft ook niet zo duur te zijn in een simpele bewerking. Je kunt als basismateriaal gewoon grafiet gebruiken, hetzelfde materiaal als in een potlood, of grafietoxide.” Stöhr denkt verder aan de toevoeging van grafeen aan bestaande materialen. “Als je grafeen gebruikt, heb je minder materiaal nodig dan normaal omdat het materiaal sterker wordt, dus je reduceert gewicht. Het is als zodanig uitermate geschikt voor gebruik in de auto-industrie.”

Recyclebaarheid

Als grafeen massaal zijn weg vindt naar de auto-industrie, speelt de vraag hoe het staat met de recyclebaarheid van het materiaal. Professor Stöhr denkt dat er mogelijkheden zijn, afhankelijk van de toepassing. “Een grafeenlaag isoleren van andere materialen is moeilijk. Maar als grafeen deel uitmaakt van een legering, denk ik wel dat hergebruik mogelijk is. Het is enorm sterk materiaal en er is veel hitte nodig om het te vervormen, dus de kans op hergebruik is groot, schat ik in.” Hoewel niet de grondgedachte achter recycling, is het ook mogelijk om grafeen te verbranden zonder dat er giftige stoffen vrijkomen. Het is immers puur koolstof. Een andere prettige eigenschap van grafeen is dat het een natuurlijk product is, dat veel op aarde voorkomt.