比金刚石更硬，比铜更导电，同时也比纸薄一百万倍：石墨烯是21世纪材料科学中最大的发现，European Space Agency（ESA）一直在努力从其神奇的特性中受益。一个将超薄石墨烯添加到传统锂离子电池中的项目为未来的太空电池提供了增强的容量和循环寿命，现在可以以更便宜，更环保的方式制造 – 将有毒溶剂换成水和植物基纤维素。
原子厚石墨烯层
“随着世界从化石燃料发电向无排放电气化过渡，电池等储能设备正在成为这一新的’绿色’经济价值链的关键部分，”总部位于希腊的Pleione Energy的Athanasios Masouras解释说。
“为了满足对更高功率密度和快速充电电池日益增长的需求，意味着转向新材料，因为现有的解决方案正面临硬性能限制。
该公司与ESA合作开展了一个项目，将锂离子电池电极的生产工业化，其中石墨烯是其主要活性材料，一次生产数十米。这些负极用于锂离子电池单元，这些电池是根据欧洲空间标准化合作组织，ECSS标准生产和测试的，代表了空间就绪质量。
石墨烯粉
“挑战在于从实验室活动扩展到工业生产，并有可能一次制造数公里的电极，”欧空局材料专家Ugo Lafont评论道。
“我们的试验板电池具有良好的性能，可产生12.5 Ah的能量，为提高电池容量和改善关键电化学特性提供了一种欧洲方式。特别是纳米尺寸的石墨烯确保了系统核心锂离子的增强迁移率，从而提高了相同数量材料的容量和更高的充电和放电速率，而不会降低系统。这种潜力在于适合小型卫星的新型廉价但可靠的电池，特别是CubeSats。
卷对卷工艺
Athanasios指出：“在完成电池单元并将其集成到电池组中后，真正的测试是当我们将其暴露在典型的低地球轨道任务的温度曲线下时，这意味着从高温阳光到寒冷黑暗的频繁变化。但是我们的测试证实，与传统石墨相比，我们已经成功地提高了电池阳极的比电容，并开发了在高电流密度下保持其性能的电极 ，使其适用于快速充电/放电应用。
“总体而言，石墨烯的比电容比石墨高出约20%，而其耐受性更高的电流密度应该意味着电池的循环寿命更长，由于温度更低，操作更安全，材料消耗总体降低，因此成本降低。
测试电池组
具有成本效益的石墨烯储能项目COORAGE由Pleione Energy和德国Fraunhofer硅酸盐研究所承担，旨在设计一种用于电极生产的端到端工业流程，德国Omndiea-RTG设计了该项目的试验板电池。
“这个过程本身并不是革命性的，”Ugo补充道。“真正的进步在于石墨烯的添加方式。电极总是需要一个金属集流体来收集电流并连接到外部电路。这些正负极收集器具有附着的活性物质，这些材料以粉末的形式出现，因此它们需要层压并粘合到其集流体上 – 就像将面粉变成可以烹饪的煎饼面团一样。
这些电池将用于较小的太空任务。
“因此，这种粉末被变成浆料，涂在集流体上，将其固定到位以进行亲密接触，从而使电子流动。但在过去，这种工艺需要昂贵且剧毒的溶剂。我们已经改用水作为溶剂，与来自植物生物质的纤维素纳米晶体混合，这要便宜一百倍。还涉及某些专有知识，例如厨师的技能，以确保您的食物味道好！
Athanasios补充说：“除了减少该过程的整体环境足迹外，去除这些溶剂 – 购买和处理成本都很高 – 显着降低了约20%的制造成本，并使电池生产更符合最严格的欧盟环境标准。
箱式电池组
COORAGE项目由ESA的通用支持技术计划（GSTP）支持，为太空和市场准备有前途的产品，该项目还在研究石墨烯用于锂离子超级电容器，锂离子超级电容器是能够提供非常高功率的短暂高速脉冲的功率存储设备。
“我们的下一步将是将我们的技术转移到圆柱形标准化电池，然后通过广泛的测试提高其技术准备水平，我们的最终目标是获得太空飞行的资格，”Athanasios指出。
“我们很感激有机会与ESA合作，这对于实现我们的目标至关重要。对于中小型企业来说，与全面贸易优惠制和类似的欧空局计划合作是使技术更接近太空的关键资源，因为它从项目的早期阶段就提供了空间思维。
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