Graphène - Comment le carbone bidimensionnel peut améliorer les voitures

Lamborghini Sesto ElementoLe Sesto Elemento de Lamborghini utilise de la fibre de carbone pour réduire son poids à un peu plus de 2000 livres, mais le graphène pourrait offrir des avantages encore plus importants en termes de réduction de poids. Le carbone est la base de la vie telle que nous la connaissons. Il est là depuis le tout début, bouillonnant et bouillant dans les noyaux d'étoiles géantes, avant d'exploser violemment et de créer les éléments constitutifs du monde qui nous entoure.

Cet élément, l'un des plus petits et des plus légers du tableau périodique, a le potentiel de révolutionner l'industrie automobile. Il peut le faire sous forme de graphène, une couche de carbone pratiquement bidimensionnelle qui peut être utilisée dans tout, de la fabrication de batteries et de panneaux solaires à la biotechnologie et à la filtration.

Le matériau merveilleux

Le graphène est le matériau le plus résistant jamais mesuré. Du moins, c'est ce que l'Université de Columbia a estimé en 2008.

Le professeur de génie mécanique James Hone a déclaré: «Il faudrait un éléphant, en équilibre sur un crayon, pour percer une feuille de graphène de l'épaisseur de Saran Wrap.

Mais le matériel n'est pas seulement solide; c'est aussi un conducteur thermique fantastique à température ambiante, et c'est l'un des conducteurs électriques les plus efficaces connus de l'homme.

L'aérogel de graphène est également le matériau le plus léger au monde, sept fois plus léger que l'air. Un mètre carré de celui-ci, un seul atome épais et lié dans un réseau hexagonal, ne pèse que 0,77 milligramme.

Graphène

Le graphène est un assortiment de finitions de première place. Il peut être utilisé pour créer des écrans tactiles, des systèmes de filtration d'eau, des nanotubes informatiques et des systèmes de régénération tissulaire. Il peut même isoler les particules d'hydrogène dans l'atmosphère.

Et nous n'avons même pas encore abordé les applications automobiles.

L'avenir

Imaginez construire une voiture à partir d'un matériau plus de 100 fois plus résistant que l'acier, qui est plus léger et peut conduire l'électricité 30 fois plus vite que le silicium. Ensuite, imaginez que cette substance puisse également fonctionner comme un panneau solaire géant. Obtenir l'image? Ouais, le graphène pourrait changer la donne.

En 2011, l'Université de technologie de Sydney a fait une percée significative en synthétisant quelque chose appelé papier graphène (GP), une couche ultra mince de graphite qui a une densité cinq à six fois plus faible que l'acier, mais qui est deux fois plus dure avec 10 fois la traction. résistance et rigidité à la flexion 13 fois supérieure.

Avec du graphène ou un matériau à base de graphène, tout ce dont vous avez besoin pour battre une Ferrari hors de la ligne est une brise raide.

Cette durabilité flexible pourrait être inestimable pour les constructeurs automobiles, qui pourraient l'utiliser comme revêtement pour les modules de pilote imperméables, le blindage pour les véhicules militaires et même les composants de suspension à fort impact pour les tout-terrain.

Pensez à l'impact de la fibre de carbone. La Lamborghini Sesto Elemento utilise le tissage polymère dans la carrosserie, la suspension, l'arbre de transmission et le châssis, réduisant le poids à un poids dérisoire de 2202 livres. Avec du graphène ou un matériau à base de graphène, tout ce dont vous avez besoin pour battre une Ferrari hors de la ligne est une brise raide, pas un gros V10.

Pas un fan de performance? Regardez la Visio.M EV de Munich, une berline de 992 livres qui n'a besoin que de 20 chevaux pour parcourir 100 miles. Et de quoi est fait Visio.M? Plastique renforcé de fibres de carbone (CRFP) et aluminium, des matériaux qui ressemblent au plomb par rapport à ce «matériau miracle».

Avance rapide dans le futur et nous pourrions potentiellement fabriquer des voitures entières à partir de ce matériel, jusqu'aux panneaux solaires flexibles sans silicium qui mesurent une efficacité record de 15,6%.

Cependant, l'utilisation du graphène dans le développement de matériaux composites super résistants et de batteries lithium-soufre compactes et puissantes est plus réalisable.

MAPL-Xi-cathode Photo via AIP Publishing

Selon l'Institut américain de physique, les batteries au lithium-soufre sont beaucoup plus denses que les options lithium-ion et possèdent la capacité de stocker quatre fois plus d'énergie que leurs homologues. De plus, le soufre est incroyablement bon marché.

Le côté malheureux est que, bien qu'efficaces, ces batteries ont une durée de vie courte en raison de la façon dont le soufre se dissout dans les électrolytes liquides.

C'est là que le graphène entre en jeu. La substance conductrice agissant comme une barrière physique à l'intérieur de la batterie, le transfert d'énergie est toujours autorisé sans la dégradation du soufre actif qui se produit avec un contact étroit.

Cependant, le graphène peut également être utilisé pour améliorer les batteries lithium-ion.

Avec ces carénages en carbone, il vous reste une unité de stockage d'énergie plus légère, plus petite, moins chère, plus dense et qui a une tolérance plus élevée à la surcharge que le lithium-ion.

Le graphène peut également être utilisé pour améliorer les batteries lithium-ion, et vous ne devinerez jamais quel constructeur automobile fait les plus grosses vagues dans ce domaine.

Tesla développerait une technologie qui augmentera l'autonomie de ses véhicules d'environ 300 miles à près de 500 miles en utilisant des électrodes de batterie à base de graphène. N'oubliez pas que le support conduit l'électricité comme peu de substances peuvent le faire, ce qui signifie une capacité plus élevée et une charge plus rapide.

Il y a cependant quelques problèmes.

Désavantages

Au moment où cela est écrit, il n'existe aucun moyen commercialisé de production de masse de graphène. Et parce qu'il est si nouveau (il a été découvert en 2003 et produit pour la première fois en 2004), les technologies utilisées pour le traiter en sont encore à leurs balbutiements. Ainsi, ils sont chers.

Plus précisément, la création du super-matériau sous une véritable forme bidimensionnelle est difficile à réaliser à grande échelle. Les cristallites 2D ont tendance à se plier dans la troisième dimension lorsque le matériau est développé par synthèse chimique, donc pour créer un véritable matériau 2D, les chercheurs sont obligés d'utiliser d'autres méthodes.

Lamborghini Sesto Elemento Lamborghini Sesto Elemento

Actuellement, la technique la plus courante pour synthétiser du graphène de haute qualité est connue sous le nom d'exfoliation ou de clivage, qui décolle les monocouches de graphite 3D avec du ruban adhésif pour obtenir une seule feuille atomique. Comme vous pouvez probablement le deviner, cette méthode est extraordinairement inefficace pour la quantité de matière récupérée.

Mais dans un monde automobile qui cherche constamment à améliorer l'efficacité et les performances, il faut parfois penser petit.

Conclusion

La plupart des experts conviennent que la technologie des batteries est ce qui retient les véhicules électriques. Avec la technologie actuelle, il y a des problèmes de coût, de poids, de taille et, surtout, de plage.

Le graphène est un remède potentiel à presque tous ces problèmes, mais il ne s'arrête pas là.

Ce `` matériau merveilleux '' pourrait remplacer certains composants en fibre de carbone, en acier et en aluminium qui existent dans nos voitures aujourd'hui, allégeant nos charges globales dans la poursuite de la performance et de l'efficacité. C'est une formule de voiture de sport qui peut aider sur et en dehors de la piste.

Regardez le Ford F-150 2015, qui a économisé 700 livres en passant d'une carrosserie en acier à une carrosserie en aluminium. Imaginez les développements que le graphène pourrait apporter dans les 20 prochaines années. Des conducteurs quotidiens poids plume qui n'ont pratiquement pas besoin de puissance pour se déplacer et qui sont incroyablement sûrs? Inscrivez-nous.

En ce qui concerne 2014, cependant, le marché mondial du matériau est un modeste 20 millions de dollars environ. Mais encore une fois, nous commençons petit.

Le carbone, la pierre angulaire de toute vie sur Terre, sera-t-il la prochaine étape de l'évolution automobile?

Attend et regarde.