Аккумулятор с графеном

Графеновый аккумулятор – современные технологии

Даже те, кто мало разбирается в технике, знают, что любой автономной системе, работа которой связана с электричеством, требуются независимые источники электроэнергии. Это мобильные устройства, транспортные средства, оборудованные аккумуляторами и батареями.

«Батарейки», широко используемые сейчас, ограничены в объеме и имеют непродолжительный срок службы. Графеновый аккумулятор этих недостатков лишен. В статье пойдет речь о том, что собой представляют такие батареи, как они устроены, какие у них достоинства и недостатки и где их можно найти.

О материале графен

Известно две формы углерода – графит и алмаз. Первый используется в качестве стержней карандашей, алмаз – наиболее прочный материал на всей планете. В 2004 году российские ученые «получили» ранее неизвестную, третью форму – графен.

Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость

Сам графен – это вещество пленкообразной структуры, «собранное» из атомов углерода (как гласит википедия). В природных условиях эту двумерную пленку не встретишь. Изготавливается она человеком, для чего требуются повышенное давление и температура.

По факту, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка.

Их связь настолько высокоплотная, что вещество имеет высокую степень жесткости и огромный запас теплопроводности.

Электроны в веществе сохраняют свою подвижность, поэтому открытый в 2004 году материал годится для «внедрения» в полупроводниковые схемы, батареи и нанотехнологии. Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость.

Графеновые аккумуляторы

«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.

У графена высокая электропроницаемость

На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.

Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.

Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.

Батареи литий-графенового типа долго заряжаются, из-за чего в автомобильной отрасли с их применением начали возникать сложности. Новым источником питания стали магний-графеновые аккумуляторы, о которых еще пойдет речь.

Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.

Есть две технологии производства графеновых источников питания:

  • американская модель. Источником реакции выступают кобальтат литий и катод из перемежающихся пластин кремния и графена;
  • российская модель. Магний-графеновая модификация, в которой литиевую соль (анод) заменили на оксид магния (доступное и менее токсичное вещество).

У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.

Преимущества и недостатки

Графен экологически чистое вещество

Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:

  • исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
  • малый вес. Масса 1 м2 графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
  • экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
  • высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
  • поврежденные участки быстро восстанавливаются;
  • проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;
  • высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
  • технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
  • быстро заряжается.

Недостаток графенового аккумулятора – низкая плотность. По этой причине такие источники питания не устанавливаются в мобильные устройства, так как получаются слишком крупными.

Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.

Устройство

Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.

Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.

Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.

Емкость батареи зависит от того, сколько ионов находится в кристаллической решетке анода. Скорость перемещения ионов влияет на то, как быстро заряжается аккумулятор.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Особенности магний-графенового аккумулятора

Первые магниевые батареи были разработаны испанскими учеными в 2017 году. Графеновые аккумуляторы, в которых электролитом выступает магний, более емкие и быстрее заряжаются.

Нередко это изобретение относят к батареям нового поколения. При этом, они на 77% дешевле и на 50% легче литий-ионных аналогов.

Высокая подвижность ионов позволяет зарядить такой аккумулятор за 8 минут. А максимальной емкости достаточно, чтобы электромобиль смог проехать 1000 км.

Принцип действия любых аккумуляторов – химические процессы окисления и восстановления. Магний, который стоит практически в 20 раз дешевле лития, выбран неслучайно.

Магний, как литий, не взрывоопасен при контакте с жидкостью, также его легче утилизировать. Да и запасов его на планете куда больше.

Магний – не идеальное вещество, поэтому и с производством магний-графеновых аккумуляторов возникали сложности. Серьезной проблемой оказался подбор электролита, в котором бы передвигались ионы. Эти работы продолжаются до сих пор.

По мнению ученых, новые магний-графеновые батареи будут иметь емкость в 2,5 раза больше, чем у традиционных литиевых источников питания.

Немецкие автомобильные концерты приняли такую батарею на тестирование. Тест оказался успешным и пошли разговоры об использовании аккумуляторов в промышленности.

Магниево-графеновый аккумулятор для электромобиля

Электромобиль, работающий без использования ископаемых источников топлива, не будет таким же быстрым, как транспортное средство на бензине или «дизеле». Но снижается цена питания и обслуживания. А это уже значимый шаг, который еще более отображает перспективность машин на электричестве.

Компания Graphenano в 2017 году создала предприятие, производящее графеновые аккумуляторы. Их перспективная разработка – полимерные батареи, к сожалению, пока еще не вышла «в свет».

По их мнению, подобные источники питания станут еще безопаснее, более стойкими к возникновению коротких замыканий.

Где купить аккумулятор

Аккумуляторы, сделанные из графена, пока что остаются только в виде проектов. Если они будут реализованы, то получатся батареи, которые смогут в течение года работать без подзарядки. Пока что заряд приходится постоянно пополнять и все знают, сколько примерно заряжаются литий-ионные «пластины».

Пока что графен – малоизученная структура, поэтому власти не спешат давать ему «зеленый свет».

Достаточно представить, что в одной коробочке, размером с пачку масла, может вмещаться 1 мегаватт энергии – такое изобретение кто-то захочет использовать как оружие с немалой поражающей мощностью. Производители продолжают тестировать новинку на своих автомобильных концернах, доводя ее до «норм».

Углеродные источники питания – технология, которая найдет отклик в будущем, когда будут отлажены все технические тонкости производства. Тогда, может быть, появятся и первые смартфоны с графеновыми аккумуляторами, которые будут заряжаться за несколько минут.

Коммерческий графеновый аккумулятор — теперь реальность

Все новости за сегодня

  • 20:25 Представлен Huawei P40 Lite 5G — один из самых дешёвых в Европе смартфонов с 5G. Но без сервисов Google
  • 20:12 OnePlus выпустит в июле свои первые полностью беспроводные наушники. Тогда же нам покажут смартфон OnePlus Z
  • 20:03 Возврат Microsoft к Android получится неоднозначным. Смартфону Surface Duo приписывают маленький аккумулятор и отсутствие NFC. Не считая прошлогодней платформы
  • 19:36 Samsung что-то намудрила. Портативный SSD T7 поступил в продажу по странной цене. Он стоит столько же, сколько и T7 Touch
  • 18:25 Начались продажи гарнитур Logitech Zone Wired с функцией шумоподавления. Гарнитура стоит 129 долларов
  • 17:47 Компания Atos представила первый суперкомпьютер с ускорителями Nvidia A100. Система JUWELS BullSequana станет самым быстрым суперкомпьютером в Европе
  • 17:05 Еще 12 смартфонов Huawei и Honor получили EMUI 10.1. Список. EMUI 10.1 для них доступна пока в виде открытой бета-версии
  • 17:04 Фото дня: процессор APU AMD Ryzen 7 4700G. Это гибридный процессор с восьмиядерным CPU для настольных систем
  • 16:26 Без подсветки. Представлен вентилятор Thermalright TY-121BP FDB. Это корпусный вентилятор типоразмера 120 мм
  • 15:53 Sony представила первый в мире датчик изображения с собственным процессором искусственного интеллекта. Но не для смартфонов
  • 15:32 Редчайший случай: не представленный пока официально Honor X10 предстал на изображениях CAD. Выдвижная камера получила недешевый механизм открытия и закрытия
  • 15:25 Спасибо коронавирусу. Россияне стали одновременно больше работать и проводить время с семьей. 22% россиян стали тратить больше времени на работу, 56% больше проводят время с семьей
  • 15:16 Никакого краха OnePlus. Компания выпустила обновление, решающее все проблемы с экранами новых флагманов. И проблему зелёного экрана, и проблему с отображением чёрного цвета
  • 15:13 США пытаются отрезать Huawei от мировых поставщиков микросхем. Министерство торговли ввело запрет, который затрагивает не только американские компании
  • 14:42 У любого iPhone с «чёлкой» есть «рентгеновское» зрение. Но начинать бояться нашествия вуайеристов-хипстеров пока рано
  • 14:35 Смартфон Nokia 6.3 будет быстрее, чем ожидалось. Смартфон получит Snapdragon 730 вместо Snapdragon 670 и квадрокамеру
  • 14:21 Действительно свежий взгляд. Смартфон Lenovo Legion получит «горизонтальный экран» и боковую камеру. Смартфон будет максимально комфортно использовать горизонтально
  • 14:08 Серия твердотельных накопителей Micron 2300 включает модели объемом от 256 ГБ до 2 ТБ. В накопителях Micron 2300 используется 96-слойная флеш-память 3D NAND
  • 14:00 Вскрытие флагмана показало: Huawei заменила американскую санкционку китайским ноунеймом. 42% компонентов Mate 30 — китайские, намного больше, чем у Mate 20 Pro
  • 13:55 Micron использует в SSD 2210 флеш-память QLC NAND.
  • 13:49 У смартфонов Samsung загадочно сломалась тёмная тема. Она сбоит в приложении Google и голосовом помощнике Google Assistant
  • 13:20 Представлен новый монстр автономности Samsung Galaxy A21s с Android 10. Международные продажи начнутся скоро
  • 13:18 MSI выходит на рынок СЖО с серией собственной разработки MAG CoreLiquid . Серия включает четыре модели
  • 13:01 The Boring Company Илона Маска закончила рыть туннели под Лас-Вегасом. Систему Convention Center Loop запустят в январе. Туннели расположены под зданием Las Vegas Convention Center
  • 12:43 Компания Apple купила NextVR, поставщика контента для гарнитур виртуальной реальности. Сумма сделки не разглашается
  • 12:39 Более миллиарда iPhone под угрозой, серьёзность которой Apple пока отрицает. Хотя компания закроет имеющуюся дыру в безопасности. Пока же лучше удалить родное почтовое приложение
  • 12:09 Компания Ricoh рассказала о разработке камеры формата APS-C и трех объективов. В их числе — полнокадровая модель HD Pentax-D FA*85mmF1.4 SDM AW, анонсированном в марте
  • 12:06 У смартфонов Honor и Huawei беда с GPS и навигацией. Обновления EMUI оказались опасными. Определяется некорректное местоположения или «скачет» с одного места на другое
  • 11:55 Alienware Area 51m R2 — огромный геймерский ноутбук с настольными процессорами Intel и массой более 4 кг. Базовая цена превышает 3000 долларов
  • 11:54 Уникальный раритет Xiaomi по цене обычного смартфона. Инженерный Xiaomi Mi Note 3 с подписью знаменитости . Предлагается всего за 281 доллар
  • 11:45 В продажу поступает новый 100-долларовый смартфон Nokia. Это первый смартфон с Camera Go из коробки
  • 11:14 Как iPhone SE, только iPad. Apple будет продавать новые планшеты по той же стратегии, что и свой самый дешёвый смартфон. Компания будет брать ценой
  • 11:13 У принципиально новой ОС Windows 10X проблемы с обычными приложениями. Но Microsoft старается. Производительность и совместимость оставляют желать лучшего
  • 11:09 Xiaomi пообещала «суперпроизводительность» в новом Redmi . Источники уверены в том, что речь идет о смартфоне Redmi Note 10 5G
  • 10:56 Защищенные умные часы с функциями смартфона, IP68 и двумя камерами. Анонс Rollme S08. Rollme S08 работают под управлением операционной системы Android 7.1.1
  • 10:54 В чём разница между Москвой и Питером. Сколько россияне тратят на игры и донаты стримерам. Москвичи оказались самыми щедрыми, а петербуржцы — экономными
  • 10:49 Huawei готовит «дешёвый» гибкий смартфон. Его покажут уже осенью. Он будет складываться экраном внутрь
  • 10:46 7-нанометровую платформу для смартфонов MediaTek Dimensity 820 представят 18 мая, первый смартфон на ее базе — у Redmi. Ранее эта SoC фигурировала под обозначением Dimensity 800+
  • 10:15 Фотореализм с «лучами Хуанга». Игра Nvidia Marbles выглядит даже более впечатляюще, чем свежее демо Unreal Engine 5. И работает на одной видеокарте
  • 10:01 Может ли «фотохромная» камера OnePlus 8 Pro смотреть сквозь одежду? Оказалось, что может. Но специфически
  • 09:59 TSMC построит за 12 миллиардов долларов фабрику в США, на которой будет выпускать 5-нанометровые процессоры. У Intel в США 11 заводов, но ни один из них до сих пор не выпускает продукцию по нормам 5 нм
  • 09:48 Samsung Galaxy S20+ недалеко ушел от Galaxy S10+. Появился новый обзор DxOMark. Он не смог попасть в десятку смартфонов с самым хорошим звуком
  • 09:41 Стала известна цена очередного очень автономного бюджетника Samsung. Galaxy A21s появится в продаже в ближайшее время. С новой платформой Exynos 850
  • 09:36 Команда Google Pixel разваливается на глазах. Глава подразделения ушел из Google после провала Google Pixel 4. Многие члены команды разработчиков еще на стадии проектирования были недовольны большинством характеристик Google Pixel 4 и Google Pixel 4 XL
  • 09:34 Samsung готовит новый большой 50-мегапиксельный оптический датчик. Он будет чуть крупнее датчика в Galaxy S20 Ultra
  • 08:58 Огромные скидки на смартфоны Huawei в России, умные часы за 1 рубль в придачу. Акция продлится до 26 мая
  • 08:46 Огромная утечка Redmi. Redmi Note 10 5G во всех деталях с характеристиками и фотографиями. Dimensity 800, 64 Мп, 4520 мА•ч, 22,5 Вт
  • 08:46 Целый Android TV в формате флэшки. Миниатюрная телеприставка Xiaomi Mi TV Stick обойдётся в 80 долларов. Она работает на основе Android 9 Pie
  • 08:23 Xiaomi показала прозрачный Redmi K30 Pro . Чтобы уместить все комплектующие Redmi K30 Pro в компактном корпусе пришлось использовать конструкцию «сэндвич»
  • 08:01 Очень странные дела. Результаты тестов Kirin 990 5G оказались под вопросом, Snapdragon 865 снова лидирует. Странные результаты в разных бенчмарках
  • 07:47 Realme показала первый телевизор Realme TV и умные часы Realme Watch. Они впервые показаны вместе на одном изображении
  • 07:29 Новейшие беспроводные наушники Realme Buds Air Neo работают 17 часов без подзарядки. Realme Buds Air Neo получат 13-миллиметровые излучатели, а также процессор R1 и модуль беспроводной связи Bluetooth 5.0 для связи с мобильными устройствами
  • 07:19 Oppo Nitro не похож ни на один другой смартфон производителя. Форма блока основной камеры и расположение модулей вызывают вопросы
  • 07:18 Выдвижная камера подтверждена. Honor X10 5G позирует на новых изображениях. Этот смартфон официально представят 20 мая
  • 07:09 iPhone SE придется несладко. Его главный конкурент Google Pixel 4A будет гораздо дешевле. Версия Google Pixel 4A, которая оснащена 128 ГБ флэш-памяти, будет стоить 349 долларов
  • 07:05 Потенциальный хит Samsung Galaxy M51 избавился от лишних кнопок на новых изображениях. Смартфон получил стандартный разъем для подключения проводных наушников
  • 06:59 Snapdragon 876, 100 Вт, 100-кратный зум и 144 Гц. Таким ожидается Xiaomi Mi 11. Экран Xiaomi Mi 11 должен быть изогнутым по бокам, а его эффективная площадь должна составлять около 100%
  • 06:56 Геймерский изогнутый 34-дюймовый монитор Xiaomi сильно подешевел в Китае. Стоимость рухнула почти на треть
  • 06:53 Большое обновление Huawei P30 и Huawei P30 Pro добавляет новые функции. Новая бета-версия EMUI 10.1 принесла режим нескольких окон Multi-Window и панель управления несколькими устройствами
  • 06:47 Самый дешевый Redmi c поддержкой 5G получит 48-мегапиксельную камеру, аккумулятор на 4420 мА·ч и SoC MediaTek Dimensity 820. Cмартфону даже приписан экран OLED
  • 06:43 Realme подтвердила скорый выход нового флагмана Realme X50 Pro Player Edition. Презентация Realme X50 Pro Player Edition ожидается 25 мая.
  • 06:33 Новый смартфон Vivo удивляет нестандартным дизайном. Дисплей устройства должен быть практически или полностью безрамочным.
  • 06:24 «Бегущий по лезвию» в исполнении Realme. На фотографиях запечатлен смартфон в цвете, который получил название Light Speed Silver
  • 05:10 Google Chrome сможет блокировать слишком прожорливую рекламу, иссушающую аккумуляторы и нагружающую CPU. Рекламе выделят строго ограниченные ресурсы

Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии

Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

Графеновый аккумулятор такого же веса как литий-ионный (при 200 Вт/ч на 1 кг веса) имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Такая батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке

Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде. Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие. Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.

Новые разработки графеновых аккумуляторов

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.

Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.

Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение.

В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей. Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.

В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».

Графен — это слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке.

Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов

В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки. Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки. В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.

Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение. По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.

2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства. Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер. Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.

Устройство графенового аккумулятора. Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента. Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый. Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания.

Финансовые проблемы реализации научных достижений

Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет. Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.

А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто. Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн. сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.

И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями. Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.

Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа. Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.

Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.

Что дальше?

Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности. Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.

Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока. Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% «.

Шведские исследователи из Chalmers смешивают графен и серу для новых литиево-серных батареи, теоретическая плотность энергии которых примерно в пять раз выше, чем у литий-ионных. Новая идея исследователей — пористый губчатый аэрогель, изготовленный из восстановленного оксида графена, который действует как автономный электрод в элементе батареи и позволяет лучше и более эффективно использовать серу.

Удивительные свойства графена

Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света. В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов. Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.

Графен – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.

Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.

Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.

Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами.

Графеновые аккумуляторы: что это такое и почему они важны?

Аккумуляторы в смартфонах довольно хорошо развиты в наши дни. Но есть одна проблема с литий-ионными аккумуляторами — время автономной работы. Разве не было бы замечательно, если бы наши телефоны работали в течение двух или трех полных дней интенсивного использования с полным зарядом? Как насчет целой недели? С графеновыми батареями это может превратиться из несбыточной мечты в реальность.

Графеновые аккумуляторы пока не работают на смартфонах и других гаджетах, но технология развивается. В будущем графеновые аккумуляторы заменят литий-ионные, от которых технологическая индустрия зависима на протяжении десятилетий.

Уже давно появляются новости о графеновых батареях, как о технологическом прорыве. Похоже, эта технология совсем не за горами. Несмотря на то, что мы все еще далеки от коммерциализации графеновых технологий, в том числе аккумуляторов, этого все же стоит ожидать в ближайшее время.

Что такое графеновая батарея?

Прежде чем углубиться в графеновую батарею, стоит вспомнить, что такое графен и как он работает.

Вкратце, графен представляет собой совокупность атомов углерода, тесно связанных в гексагональную или сотовую структуру. Что делает графен таким уникальным, так это то, что эта структура имеет толщину всего в один атомный слой, что делает графеновый лист двумерным. Эта двумерная структура обладает очень интересными свойствами, включая превосходную электрическую и теплопроводность, высокую гибкость, высокую прочность и малую массу. Что нас особенно интересует, так это электрическая и теплопроводность, которая на самом деле превосходит медь — самый проводящий металлический элемент.

Когда дело доходит до батарей, возможности графена могут быть использованы разными способами. Идеальное использование графена в качестве батареи — это «суперконденсатор». Суперконденсаторы накапливают ток точно так же, как обычная батарея, но могут невероятно быстро заряжаться и разряжаться.

Проблема с графеном заключается в том, как экономично массово изготовить сверхтонкие листы для использования в батареях и других технологиях. В настоящее время производственные затраты непомерно высоки, но исследования помогают сделать графеновые батареи реальностью.

Еще в 2017 году Samsung объявила о прорыве со своим «графеновым шариком». Хотя с тех пор мы больше ничего не слышали. Совсем недавно выяснилось, что Telsa также, как сообщается, заинтересована в технологии производства автомобильных аккумуляторов.

Графеновые против литий-ионных батарей.

Как и литий-ионные (Li-ion) батареи, в графеновых элементах используются две проводящие пластины, покрытые пористым материалом и погруженные в раствор электролита. Но, хотя их внутренняя структура очень похожа, две батареи обладают разными характеристиками.

Графен предлагает более высокую электропроводимость, чем литий-ионные аккумуляторы. Это позволяет быстрее заряжать элементы, которые также могут выдавать очень высокие токи. Это особенно полезно, например, для автомобильных аккумуляторов или быстрой зарядки от устройства к устройству. Высокая теплопроводность также означает, что батареи работают холоднее, продлевая срок их службы даже в тесных корпусах, например, в смартфоне.

Графеновые батареи также легче и тоньше, чем современные литий-ионные элементы. Это означает, что устройства станут меньше и тоньше или производители смогу поместить аккумулятор большей емкости без использования дополнительного места. Это не все, ведь графен позволяет накапливать гораздо больше заряда. Литий-ионный аккумулятор накапливает до 180 Вт/ч энергии на килограмм, а графен — до 1000 Вт/ч на килограмм.

Наконец, графен безопаснее. Хотя литий-ионные аккумуляторы имеют очень хорошие показатели безопасности, было несколько крупных инцидентов, связанных с неисправными продуктами. Перегрев, перезарядка и прокалывание могут вызвать химический дисбаланс в литий-ионных батареях, что может привести к пожару. Графен гораздо более стабилен, гибок и прочен, а также более устойчив к таким проблемам.

Так что же выбрать? Или выбирать вовсе не нужно, ведь литий-ионные аккумуляторы могут использовать графен для улучшения характеристик катодного проводника. Они известны как гибриды оксида графена и металла. Гибридные аккумуляторы обеспечивают меньший вес, более быстрое время зарядки, большую емкость и длительный срок службы, чем современные аккумуляторы. Первые потребительские графеновые батареи, вероятно, будут гибридами.

Что графеновые батареи значат для смартфонов

Будущие смартфоны, содержащие графеновые элементы питания, продемонстрировали бы преимущества, изложенные выше. Телефоны будут заряжаться еще быстрее, время работы от батареи легко продлится день или два, если не дольше, а устройства станут тоньше и легче.

Переход на графен может предложить прирост емкости в 60+% по сравнению с литий-ионным аккумулятором того же размера. В сочетании с улучшенным отводом тепла, более холодные батареи также увеличивают срок службы устройства. Вам не нужно будет платить за дорогостоящие замены батарей через пару лет, чтобы ваши старые устройства работали в так же долго, как в день покупки.

Аккумуляторы на основе графена позволили бы смартфонам быть тоньше или обеспечить большую емкость аккумулятора при сохранении их текущих пропорций. Есть также интересные последствия для быстрой зарядки от устройства к устройству. С помощью аккумуляторов, способных выдерживать очень высокие токи и невероятно быстрое время перезарядки и разрядки, гаджеты могут заряжать друг друга на супер-высоких скоростях.

Несмотря на то, что технология графеновых батарей остается на расстоянии от нас, это перспектива для будущих смартфонов, гаджетов, электромобилей и многого другого.

Аккумулятор с графеном

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *