Меню

Как работает графеновый аккумулятор



Графеновые аккумуляторы — что это, характеристики

графеновый-акуумулятор-

Блоки питания

Графеновые аккумуляторы – технология будущего

Ритм современной жизни становится все стремительнее – мы стараемся сделать больше дел за короткое время. Мобильные устройства помогают нам увеличить “скоростные нормы”, но и они иногда подводят – ресурс автономной работы ограничен ёмкостью аккумуляторов и временем их заряда.

Производители мобильных устройств мечтают о «вечной батарейке», а ученые стараются мечту сделать реальностью.

Графеновые аккумуляторы – описание, история создания

Технологическим прорывом на пути создания сверхъемких аккумуляторных батарей стало открытие графена.

Графен – это углеродная пленка, образованная жестким соединением атомов углерода в гексагональную структуру, напоминающую пчелиные соты. Получен уникальный материал из графита методом расщепления. Толщина листа графена всего один атом – это первый в истории двумерный кристалл, который представляет собой почти идеальный проводник.

графеновый_аккумулятор

Ученые за открытие графена получили Нобелевскую премию, потому что материал нового поколения уникален и обладает, помимо тонкости, другими замечательными свойствами:

  • высокой электропроводностью;
  • гибкостью;
  • теплопроводностью;
  • огромной механической прочностью;
  • прозрачностью;
  • непроницаемостью для большинства газов и жидкостей.

В последние годы для исследований технологий на основе графена выделяются большие средства – область его применения обширна: в отраслях высоких технологий, в электротехнической области промышленности, в космических и военных отраслях, в медицине, в автомобилестроении и сфере экологии.

Идеален графен для производства аккумулятора – максимальное отношение поверхности графенового листа к объему позволяет компоновать материал в плоский проводник, который накапливает большой заряд практически мгновенно.

аккумулятор графеновый

Справка: Аккумуляторные батареи – это химические источники тока, способные многократно накапливать и отдавать заряд.

Состав батареи

Графеновый аккумулятор что это и как он устроен рассмотрим подробно.

Устройство представляет собой специальный металлополимерный корпус, в который вставлены две пластины из разнородных металлов (медь и алюминий) с выводами для обеспечения электрических контактов – между электродами помещен электролит (жидкий или твердый). Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса стоит разделительная пластина – сепаратор, который не дает отрицательно заряженным атомам лития свободно перемещаться между электродами.

Устройство графеновых аккумуляторов сходно с литий-полимерными, только в графеновых батареях электролитом и сепаратором служит графен.

Принцип работы

Схема работы графен-полимерных аккумуляторов не отличается от литий-ионных. Принцип одинаков – при заряде и разряде ионы лития постоянно перемещаются между анодом и катодом через электролит, в то время как электронам приходится достигать анода или катода по внешней цепи, создавая в ней электрический ток.

принцип графенового аккумулятора

Происходит это так:

  1. При разряде на аноде происходит окислительная химическая реакция, которая приводит к появлению свободных электронов. Они стремятся попасть на катод, где их концентрация мала, однако на пути свободных электронов возникает сепаратор, поэтому для них остается единственный путь – цепь нагрузки, куда замкнута батарея. Направленное движение электронов питает присоединенное к батарее устройство энергией.
  2. Положительно заряженные ионы лития также направляются к катоду, но уже через сепаратор, который свободно пропускает положительно заряженные частицы.
  3. После перемещения всех электронов к катоду наступает фаза разряда аккумулятора.
  4. Подав на электроды напряжение определенной величины, можно запустить процесс перемещения ионов в обратном порядке – электроны опять соберутся на аноде и будут оставаться там до очередного подключения нагрузки.

Преимущества над литиевыми

Несмотря на сходство конструкции и принцип действия, графитовые аккумуляторы превосходят литиевые по своим характеристикам – графен быстрее накапливает заряд за счет высокой электропроводности.

Технические возможности

Аккумулятор нового поколения на основе графена обладает уникальными свойствами – применение таких источников энергии станет прорывом в создании электромобилей и производстве смартфонов.

электромобиль

Скорость зарядки

Испанские разработчики представили прототип аккумулятора на основе графена – время полного заряда такой батареи в десятки раз меньше, чем аналогичных литий-полимерных батарей, а в режиме быстрой зарядки составляет всего пять минут.

Huawei в одной из своих моделей использовала технологию быстрой зарядки – благодаря вкраплениям графена 45 процентов заряда накапливалось за пять минут.

Накопительные свойства графеновых батарей

Графен на счет своего строения способен в большом количестве накапливать электрические заряды на своей поверхности, что позволяет значительно увеличить емкость графеновых батарей.

Компания «Graphenano» запустила в производство аккумуляторы «Grabat» с емкостью позволяющей электромобилю проехать более тысячи километров без подзарядки.

графеновый-аккумулятор

Внимание! Немецкие концерны начали тестирование АКБ «Grabat» на собственных автомобилях – эра бензиновых двигателей заканчивается.

Сфера применения

Высокие емкость и скорость заряда/разряда графеновых батарей, а также низкая стоимость их производства станет новой вехой в производстве электромобилей.

До сих пор производительность мобильных устройств и телефонов существенно ограничивалась временем автономной работы – с графеновыми источниками энергии стоит ожидать появления гаджетов с невероятными возможностями. Корпорация Samsung решает проблему внедрения графена в накопители энергии для телефонов с помощью графеновых шариков.

Важно! Пока не созданы достаточно маленькие батареи из графена для электронных девайсов – графеновые технологии используются только при производстве внешних аккумуляторов, способных заряжать смартфон вместо полутора часов за 10-12 минут.

графеновый аккумулятор

Преимущества графеновых батарей

Повсеместное внедрение источников энергии на основе графена только вопрос времени, ведь его преимущества перед другими видами аккумуляторов очевидны.

Небольшой вес

Графен очень легкий – два квадратных метра весят всего полтора грамма. Поэтому графеновые АКБ весят значительно меньше, чем аналогичные литий-ионные батареи.

Высокая проводимость

Простая кристаллическая структура кристалла графена не создает препятствий движению электронов – его электропроводность выше, чем у полупроводников. Это свойство графена дает возможность графеновым батареям заряжаться быстрее остальных АКБ.

Прочность

Прочность графена близка к прочности алмаза, поэтому разработчики уверены, что батареи на его основе будут более устойчивы к разрушениям.

Водонепроницаемость

Для стабильного состояния аккумуляторов разработана технология превращения графеновых пластин в водянистый гель – гелевый раствор уменьшает время зарядки батареи до нескольких секунд.

Высокая удельная емкость

Электрод, изготовленный из графена, позволяет ионам лития не только скапливаться на поверхности, но и проникать внутрь материала, что увеличивает количество заряженных частиц в аккумуляторе, значительно увеличивая его емкость.

Невысокая стоимость

Графит широко распространен на земле, а производство графена недорого – батареи из этого материала стоят дешевле литий-ионных.

Замена дорогого и редкого лития на магний по технологии, используемой в России, значительно удешевит производство.

Проблемы новой технологии

Плюсы новой технологии очевидны, но производство графеновых АКБ имеет и свои недостатки.

Неподходящая плотность материала

Графен имеет низкую плотность, что ограничивает создание компактных источников энергии.

Большие размеры аккумуляторов

Большой размер батарей не позволяет устанавливать их в мобильные устройства.

Внимание! Можно сделать магний-графеновый аккумулятор своими руками, однако процесс создание графена в домашних условиях сложен:

  • в металлической емкости в течение двух суток миксером, который работает от асинхронного двигателя, взбивают графитовый порошок и жидкость для мытья посуды;
  • пену высушивают, полученную пыль растворяют в лаке для обработки алюминия;
  • состав наносят на подложку из алюминия – получившийся материал и есть графен.

графен дома

Перспектива использования графеновых аккумуляторов в качестве альтернативного источника энергии может радикально изменить будущее человечества – отказ от углеводородов поможет улучшить экологию планеты.

Источник

Что такое графеновая батарея?

Технология аккумуляторов в наши дни значительно улучшилась. Но если есть одна вещь, которую люди никогда не смогут получить достаточно, так это обещание длительного срока службы аккумулятора. Разве не было бы здорово, если бы наши ноутбуки и смартфоны продержались целую неделю в интенсивном режиме с одной зарядкой? Или что, если бы электромобили могли быть полностью заряжены за несколько минут?

С графеновыми батареями это все возможно.

Графен в настоящее время является наиболее изученным материалом для хранения заряда. Результаты, полученные в различных лабораториях по всему миру, подтверждают его потенциал, чтобы произвести революцию в отрасли хранения энергии.

Обнаруженный в 2004 году, графен может представить много новых возможностей для устройств хранения энергии в следующем десятилетии, таких как полностью вращающиеся батареи, меньшие по размеру конденсаторы, устройства высокой емкости и быстрой зарядки, а также прозрачные батареи.

Давайте копнем глубже и узнаем больше об этой революционной технологии: чем она отличается от существующих литий-ионных аккумуляторов, каковы ее области применения и почему это так важно.

Что такое графеновая батарея?

Графен, состоящий из атомов углерода, образующих двумерную кристаллическую решётку, признан «чудо-материалом» благодаря своим уникальным свойствам. Это отличный проводник тепла и электричества, впечатляюще гибкий, почти прозрачный, в 100 раз прочнее стали той же толщины и чрезвычайно легкий.

А поскольку материал также экологичен и устойчив, он обладает неограниченными возможностями в широком спектре применений. Одним из таких многообещающих применений является батарея следующего поколения.

Графен может быть интегрирован в различные типы батарей: металл-воздушные, окислительно-восстановительные, литий-металлические, литий-серные и, что более важно, литий-ионные батареи. Он может быть химически обработан в различных вариантах, подходящих как для отрицательных, так и для положительных электродов.

Батареи, сделанные из графена, могут питать все, от карманных устройств до электромобилей. Они обладают большей мощностью и имеют более длительный срок службы, чем существующие коммерческие (литий-ионные) батареи.

Графен как аккумулятор может также использоваться в качестве суперконденсатора, который может заряжаться и разряжаться невероятно быстро. На самом деле, они могут помочь цивилизации наконец-то отойти от вредных ископаемых видов топлива.

Чем они отличаются от традиционных батарей?

Технология графеновых аккумуляторов аналогична литий-ионным аккумуляторам: у них есть два твердых электрода и раствор электролита, обеспечивающий поток ионов. Однако некоторые графеновые батареи содержат твердый электролит.

Основное различие заключается в составных частях одного или обоих электродов. В обычной батарее катод (положительный электрод) полностью изготовлен из твердотельных материалов. Однако в графеновой батарее катод состоит из гибридного компонента, который содержит графен и твердотельный металлический материал.

Количество графена, используемого в электроде, варьируется в зависимости от эффективности твердотельного материала и требований к характеристикам. Кроме того, графен, как анод, обеспечивает высокую емкость и превосходную производительность.

Текущие проблемы

В последние годы исследователи продемонстрировали различные батареи на основе графена, которые превосходят имеющиеся в продаже. Однако эта технология еще не вышла на рынок. Еще предстоит преодолеть два серьезных препятствия:

  1. Отсутствие эффективных процессов получения качественного графена в больших количествах.
  2. Себестоимость производства на данный момент непомерно высока.
Читайте также:  Аккумулятор nokia bl 5c емкость аккумулятора

Производство одного килограмма графена стоит десятки тысяч долларов: количество варьируется в зависимости от требований к качеству материалов. Поскольку активированный уголь, который в настоящее время используется в суперконденсаторах, доступен по низкой цене (15 долларов за кг), другим материалам очень трудно выйти на коммерческий рынок.

12 новых характеристик графеновых батарей

Вскоре из графена можно будет создать устройства хранения энергии нового поколения с необычными характеристиками, которые невозможны с помощью современных технологий.

1. суперконденсаторы с линейной фильтрацией переменного тока

Электрический двухслойный конденсатор на основе вертикально ориентированных листов графена мог заряжаться / разряжаться очень быстро (менее чем за миллисекунду). Десятки материалов были протестированы для фильтрации линии переменного тока, в том числе оксид графена, ковер графен-УНТ (углеродная нанотрубка) и квантовые точки графена.

Такие сверхбыстрые суперконденсаторы могут заменить большие электролитические конденсаторы, которые в настоящее время используются в электронике, делая электронные устройства легче и меньше.

2. Гибкие накопители энергии

Существующие батареи и суперконденсаторы являются жесткими: таким образом, их изгиб может привести к утечке электролита и повреждению элементов. Однако графен с его двумерной структурой толщиной в один атом может деформироваться в направлении, нормальном к его поверхности, не вызывая никаких повреждений.

Помимо присущей ему механической гибкости, феноменальные электрические характеристики и большая площадь поверхности делают графен перспективным материалом для гибких батарей.

3. Растягивающиеся батареи и суперконденсаторы

Растяжимые устройства накопления энергии могут быть созданы за счет использования структурной растяжимости электродов из микрочастиц из композита графена-УНТ / активного материала и физически сшитого гелевого электролита.

Пленка графен-УНТ / активный материал на растягиваемой подложке

Активные материалы, соединенные через спутанные углеродные нанотрубки и графеновые листы, обеспечивают механически устойчивый пористый сетевой каркас, а внутренний выступающий каркас в сотовой структуре позволяет осуществлять структурное растяжение при деформации.

4. Литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой

Поскольку графен обеспечивает более быстрый перенос ионов и электронов в электродах, литий-ионные батареи, оснащенные графеном, можно заряжать и разряжать гораздо быстрее.

Например, литий-ионный аккумулятор с наноразмерным катодом из LiFePO 4 и анодом из Li 4 Ti 5 O 12 на гибкой графеновой пене может быть полностью заряжен всего за 18 секунд. Чистый графен также можно использовать на аноде для увеличения емкости и сверхбыстрой скорости заряда/разряда.

5. Аккумуляторы для носимых устройств

Последние достижения в области коаксиальных электродов и электродов с сердечником и оболочкой сделали возможным объединение электродного материала и токосъемника в единую пряжу, которую можно ткать или связывать непосредственно в текстиль.

Графен может быть эффективно собран в многофункциональные микроволокна и вплетен в ткани. Микроволокна с графеновым сердечником и оболочкой уже использовались для демонстрации гибких и растяжимых суперконденсаторов (с высокой поверхностной емкостью), которые можно встраивать в текстиль с использованием традиционных методов ткачества.

6. Ультратонкие токоприемники для легких устройств

В существующих батареях используются токосъемники из металлической фольги (например, из меди, алюминия или никеля) толщиной 20-80 микрометров для облегчения потока электронов между электродами и внешними цепями. Поскольку эти металлы не накапливают заряд, они снижают общую плотность энергии батареи. Кроме того, они подвержены коррозии, что отрицательно сказывается на внутреннем сопротивлении элемента и сроке службы батареи.

С другой стороны, графен — лучший альтернативный токоприемник. Он имеет высокую электропроводность, низкую плотность и может стабильно работать в экстремальных условиях эксплуатации. Графен может быть легко преобразован в пленки с рябью и морщинами на его поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это дополнительно снижает сопротивление ячейки).

Графен легко трансформируется в пленки с волнами и складками на поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это еще больше снижает сопротивление ячейки).

7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы

Благодаря своей высокой проводимости и приличной прозрачности (коэффициент пропускания до 97,7%) графен может сыграть значительную роль в повышении эффективности прозрачных батарей. Его можно использовать в качестве электродного материала не только для разработки прозрачных накопителей энергии, но и для умных окон, солнечных элементов и различного оптоэлектронного оборудования.

8. Батареи с увеличенным сроком службы

В современных литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Его плотность энергии можно увеличить, заменив графит графеном.

Графеновые электроды в виде свернутой графеновой бумаги, пористых графеновых пленок и каркасов из сольватированного графена обладают в три раза большей емкостью, чем традиционные графитовые электроды, обещая более длительный диапазон для электромобилей и более длительное время работы для портативных устройств.

Емкость и плотность мощности могут быть дополнительно улучшены путем легирования графеновых анодов азотом и бором.

9. Оксид графена в качестве твердого электролита и сепаратора

Оксид графена — хороший электронный изолятор. Его можно использовать одновременно как надежный твердый электролит и как разделитель электродов. Некоторые исследования показывают, что пленка оксида графена, действующая как твердый электролит, обладает высокой емкостью, но с незаметной ионной диффузией, как в диэлектрических конденсаторах.

Эти наблюдения могут помочь исследователям разработать сверхбыстрые, легкие, энергоемкие конденсаторы, которые не страдают от диффузии ионов, что часто является причиной опасности утечки электролита.

10. Суперконденсаторы с удельной энергией батарей

Суперконденсаторы, изготовленные из [пористой и плотной] графеновой пены, как правило, имеют сверхвысокую плотность энергии, сравнимую со свинцово-кислотными батареями. Эти графеновые пены создаются путем созданием крошечных отверстий в базальных плоскостях графена и последующего их сжатия с помощью современного гидравлического оборудования.

Основное преимущество графеновых суперконденсаторов по сравнению с традиционными заключается в том, что они работают с водными электролитами и могут изготавливаться без сложной сборки в «сухом помещении».

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена

Оксидные мембраны графена обладают различными уникальными барьерными свойствами. В сухом состоянии эти мембраны непроницаемы для всего, за исключением водяного пара. В воде они ведут себя как молекулярные сита, блокируя крупные ионы и облегчая перенос более мелких.

Эти особенности могут привести к разработке ионоселективных мембран нового поколения для суперконденсаторов, батарей и топливных элементов.

12. Электроды без связующих и добавок

Связующее и добавки вместе составляют до 40% массы электрода. Он известен как «мертвая масса», потому что он не накапливает заряд и, таким образом, снижает общую плотность энергии.

Но поскольку графен может быть собран в автономные 2D- и 3D-структуры с высокой электропроводностью, можно напрямую включать графен в электроды без добавления каких-либо связующих и проводящих агентов.

Последние исследования

В последнее десятилетие ученые сосредоточились на улучшении комплексных электрохимических характеристик и надежности существующих батарей. Они разработали и протестировали множество различных вариантов батарей, оснащенных графеновыми композитными материалами.

Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен/кремний

Исследователи изготовили оптимизированный восстановленный графеноксидный/кремниевый композит, используя простой шаблонный метод самосборки. Графен равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя трехмерную сеть (за счет усиленного межмолекулярного взаимодействия и увеличенной удельной поверхности).

Синтетическая стратегия оптимизированного композита RGO / Si

Его можно использовать в качестве стабильного межфазного слоя из твердого электролита, который увеличивает как электрическую проводимость, так и структурную стабильность.

Графеновые многослойные пленки для емкостного накопления энергии

В 2020 году группа исследователей разработала автономный пленочный электрод из слоистого графена с высокоэффективным использованием пор. Настроить пористость легко, отрегулировав расстояние между слоями пленки. Поскольку поры используются оптимально, объемная емкость максимальна.

Гибкий графеновый суперконденсатор может хранить в 10 раз больше энергии, чем обычные

Этот тип суперконденсаторов может сохранять 97,8% своей энергоемкости после 5000 циклов. Они также очень гибкие: при изгибе на 180 градусов они работают почти так же, как и в горизонтальном положении.

Рынок

Исследования графена продолжат расширяться в течение следующего десятилетия, обещая сделать жизнь людей лучше. В 2019 году мировой рынок графеновых батарей оценивался в 49 миллионов долларов, и, по прогнозам, к 2027 году он достигнет примерно 399 миллионов долларов, что означает CAGR (совокупный годовой темп роста) более 31% в течение прогнозируемого периода.

Рост рынка обусловлен использованием графеновых батарей в электромобилях, портативных электронных устройствах и резким увеличением использования нетрадиционных источников энергии. Ожидается, что автомобильный сегмент будет иметь самые высокие темпы роста из-за растущего спроса на электромобили из-за экологических проблем.

Согласно прогнозам, на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться самая большая доля индустрии графеновых батарей. Ключевыми странами, способствующими увеличению спроса, являются Китай, Япония и Южная Корея. Европа, вероятно, будет занимать вторую по величине долю на мировом рынке графеновых батарей.

Источник

Что такое графеновые аккумуляторы, и какие у них перспективы

Ещё совсем недавно появление гибридных автомобилей, в которых сочеталось использование обычного двигателя внутреннего сгорания и электромотора, являлось чем-то невообразимым. Многие считали, что отказаться от ДВС невозможно, у них нет альтернативы.

Графеновые АКБ

Но сейчас электрокары стали привычным явлением. Такие машины встречаются повсеместно, а развитие технологий позволяет делать их всё более и более доступными.

Главной движущей силой в электромобиле является электрический двигатель. А питается он от специальных аккумуляторных батарей. Именно они являются тем самым компонентом, который производители стремятся улучшить и усовершенствовать. Главная задача заключается в том, чтобы аккумулятор мог дольше обеспечивать движение машины без остановки и дозарядки.

Пока ключевыми батареями выступают литиевые АКБ. Но у них может появиться серьёзных конкурент в виде графеновых аккумуляторов.

Что такое графен

Для начала нужно понять, какая основа, то есть база используется в случае с графеновыми АКБ.

Графеновые батареи, как и литиевые, являются тяговыми, а не стартерными, как на машинах с двигателями внутреннего сгорания.

Графен достаточно интересный и инновационный материал. Благодаря ему потенциально увеличится работоспособность питающих элементов электромобилей от нескольких сотен до тысячи проходимых километров без подзарядки.

Графен представляет собой кристалл углеводорода. Его атомы располагаются в единой плоскости. Толщина листа бесцветного материала равна толщине одного атома. Графен отличается повышенными показателями энергоёмкости и прочности.

Массовому появлению графена человечество обязано двум специалистам. Это Гейм и Новосёлов. Именно они совместными усилиями получили этот материал искусственным путём. В качестве подложки использовался оксид кремния.

В итоге вещество можно охарактеризовать как углеродную плёнку. Её толщина составляет примерно одну миллионную от толщины листа бумаги.

Читайте также:  Аккумулятор для бритвы philips hq8150

В настоящее время целый ряд компаний и специалистов работают над тем, чтобы получить возможность в крупных объёмах создавать рассматриваемый высокотехнологичный материал. Если этого удастся добиться, это можно будет считать огромным шагом на пути к революции в мире электроники.

На основе графена потенциально можно создать аккумуляторные батареи, компьютерные мониторы, полупроводниковые устройства и многое другое.

Устройство АКБ на основе графена

Теперь стоит рассмотреть особенности устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, поскольку именно в этой сфере могут применяться такие источники питания.

Графеновые АКБ авто

Интересно, что принцип работы ничем не отличается от того, как работают обычные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Здесь также протекают аналогичные электрохимические процессы. Но, разумеется, реакции внутри АКБ совершенно иные.

Это к вопросу о том, как устроен потенциально перспективный графеновый аккумулятор.

Рассматриваемый тип батарей можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами, поскольку по устройству они во многом похожи. Уже существует несколько технологий, позволяющих создавать графен-полимерные источники питания:

  1. Одна из технологий предусматривает чередование пластин из графена и кремния, которые используются в качестве катода. При этом в роли анода применяют кобальтат лития.
  2. Другая технология подразумевает, что вместо кобальтата задействуют более финансово доступный оксид магния, а катод останется аналогичным. Если судить по стоимости, сочетание магния и графена при создании АКБ обойдётся значительно дешевле, если сравнивать с аналогичным вариантом с использованием лития. Магний-графеновые АКБ вызывают повышенный интерес у автопроизводителей. Ведь потенциально при установке таких батарей на электрокар можно увеличить проходимую дистанцию автомобиля до 1000 километров без остановок на дозарядку. При этом полная зарядка будет занимать около 10 минут. Правда, для работы с графеновыми АКБ потребуются специальные зарядные устройства, которыми планируется оснастить АЗС.

Многие эксперты уверены, что именно за счёт повышения автономного пробега удастся привлечь повышенное внимание к электрическим машинам и наконец-то запустить плавный переход от ДВС к электромоторам.

Чтобы создать графеновые АКБ, применяют литий. Но это не самый распространённый и часто встречающийся природный материал. Его запасов объективно недостаточно для того, чтобы покрыть спрос со стороны автопроизводителей. Потому инженеры активно работают над созданием устройств, способных обеспечить замену лития на магний.

Какие именно характеристики смогут на практике обеспечить графеновые аккумуляторы при оснащении электромобилей, пока спрогнозировать сложно. Но специалисты не сомневаются, что будущее за графеном.

Принцип работы

Далее немного о том, как работает и на чём основывается графеновый аккумулятор.

В действительности принцип работы рассматриваемого графенового источника питания практически не отличается от классического свинцово-кислотного аккумулятора. Разница лишь в электрохимических процессах, протекающих внутри корпуса. Здесь их можно сравнить с литий-полимерными АКБ.

Графеновые аккумуляторы машины

Чтобы лучше понять принцип работы разрабатываемого графенового аккумулятора, стоит выделить 2 основные технологии.

  1. Американская технология. Здесь в качестве источников возникающей реакции, обеспечивающий формирование заряда, используют кобальтат лития и пластины кремния и графена, которые чередуются друг с другом.
  2. Российская технология. Это аналог в виде магний-графеновой АКБ. Здесь вместо литиевой соли применяют оксид магния.

Преимущество российской разработки в том, что оксид магния доступнее лития и при этом является менее токсичным компонентом.

Графен отличается высокими показателями электропроницаемости и имеет склонность к накапливанию электрических зарядов. Эти особенности позволяют за счёт графена добиться увеличения скорости движения ионов, и тем самым повышается потенциальная ёмкость источника питания.

Изначально, когда технологию только начали разрабатывать, к листам графена добавляли литий. Но происходила бурная реакция при контакте с водой, и возникали окислительные процессы, из-за чего реализовать схему не удалось.

Когда литий контактирует с водой вне герметичного корпуса, это провоцирует сильнейший взрыв. Подобные АКБ ставить на машине очень опасно, поскольку в случае повреждения аккумулятор может выступить в роли причины возгорания.

Также литий-графеновые АКБ, как показали испытания, нуждаются в продолжительной зарядке. А это для электрокаров точно не подходит.

Всё это привело к тому, что разработчики переключились на магний-графеновые модификации.

Сильные и слабые стороны

Нелишним будет взглянуть на плюсы и минусы, характеризующие графеновые аккумуляторы и их перспективы развития.

Графеновые аккумуляторы авто

Сильных сторон достаточно много. Среди них можно выделить такие:

  • исходный материал доступный и распространённый;
  • графен выпускают в больших объёмах;
  • метод получения материала достаточно простой и легко реализуемый;
  • незначительный вес, при котором 1 м² материала весит около 1 грамма;
  • экологичность и безопасность для окружающей среды;
  • высокая прочность;
  • водонепроницаемость;
  • способность быстро восстанавливать повреждённые участки;
  • показатели проводимости выше любого современного полупроводника;
  • высокие показатели удельной ёмкости;
  • возможность потенциально проехать более 1000 км без подзарядки;
  • долговечное вещество;
  • независимость от циклов заряд–разряд;
  • высокая скорость зарядки.

Проблема в плотности. Она не позволяет создать достаточно компактные рабочие образцы. Потому серийных вариантов небольших АКБ на основе графена до сих пор не существует. Но это, скорее, касается перспектив использования в мобильных девайсах.

Для машин крупные размеры – не проблема. Потому тут стоит говорить о неплохих перспективах на будущее.

Учитывая то, что плюсы заметно превосходят минусы, стоит ожидать дальнейшего развития таких АКБ и стремительного внедрения графенового аккумулятора в электромобили.

Текущая разработка графеновых АКБ

Многие ожидают, что уже совсем скоро электрический автомобиль, то есть электромобиль, сможет без проблем преодолевать дистанцию в более чем 800–1000 километров, не требуя при этом остановки на подзарядку.

Сейчас запущено производство графена в солидных промышленных масштабах. Основным действующим лицом выступает компания Graphenano, которая базируется в Испании. Причём испанские инженеры уже опробовали АКБ на основе графена, цена которой на 70% ниже в сравнении с аналогами других компаний. Путём тестирования было доказано, что на ней электрокар способен проехать до 1000 км. А на полную зарядку уходит всего 7 минут.

При этом вес графеновой АКБ меньше литий-ионного источника питания со схожими характеристиками.

Ещё в 2015 году испанская компания организовала крупное предприятие, основной задачей которого было изготовление таких АКБ. На имеющихся мощностях удаётся создавать примерно по 80 миллионов рабочих ячеек за год работы. Официальная презентация новинки в виде графеновых АКБ была запланирована ещё на 2017 год. Но пока никто так и не увидел результата работ испанских специалистов.

В США также ведутся активные работы в этом направлении. Здесь стоит выделить компанию Real Graphene, которая недавно презентовала первую графеновую АКБ для мобильных гаджетов.

В Австралии ведущими разработчиками графеновой технологии выступают специалисты университета Monash. Они работали над вопросом стабильности АКБ, поскольку графен постоянно стремится вернуться в своё исходное состояние, то есть превратиться в графит.

Эту проблему решили за счёт превращения пластин графена в гель.

Это позволило избавиться от слипания пластин, плюс вещество находится в постоянном стабильном состоянии. Эта разработка открывает перспективы для использования гелеобразного графена в других отраслях. При этом для создания гелевого раствора не требуется затрачивать большие деньги и ресурсы.

Перспективы развития

Пока ещё рано говорить о глобальном и полномасштабном внедрении графеновых аккумуляторов и батарей.

Но если этого удастся достичь, тогда перед графеном откроются великолепные перспективы. Эти источники питания могут применяться для:

  • электрокаров;
  • электрозаправок;
  • электростанций;
  • ветряных станций;
  • солнечных батарей и пр.

Это также и улучшение экологической ситуации, которую создают машины с двигателями внутреннего сгорания.

Графен является одним из тех материалов, который в буквальном смысле может перевернуть современные представления о мире и электрокарах в частности. Это крайне перспективное направление. Потому совсем скоро стоит ожидать поступления графеновых АКБ в продажу. Первые модели для мобильных девайсов уже есть на рынке. При этом стоят они 100–120 долларов.

Источник

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.

Графеновый аккумулятор

«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.

О материале графен

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.

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.

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.

Читайте также:  Восстановление nicd аккумуляторов от шуруповерта

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки

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 м 2 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.

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.

Графеновые АКБ

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.

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.

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.

Особенности магний-графенового аккумулятора

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.

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».

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.

Источник

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад. Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно. В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью. Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании. В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги. Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Графен

Графеновый аккумулятор

По мнению учёных, графен вполне может заменить используемые сегодня полупроводники на основе редкоземельных металлов. На его основе можно получить элементы, имеющие размеры в несколько раз меньше. К тому же, графен более распространён в природе и стоит дешевле редкоземельных металлов. Помимо этого, новый материал имеет высокую тепловую стойкость, что даёт возможность увеличить мощность микросхем.

Устройство графенового аккумулятора

Как и обычные свинцово-кислотные автомобильные АКБ, графеновые аккумуляторы работают на базе электрохимических процессов. Естественно, что в основе здесь лежит другая реакция, нежели в кислотном электролите. По устройству графеновые аккумуляторы больше всего похожи на литий─полимерные аккумуляторные батареи. На сегодняшний день появились две разных технологии получения графеновых аккумуляторов.

В первом случае предлагается использовать в качестве катода чередующиеся пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.

Устройство графенового аккумулятора

  • Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
  • Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
  • Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
  • Не загрязняют окружающую среду;
  • Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
  • Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
  • Довольно легко устранить повреждения;
  • Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

А вот в сфере автомобилестроения графеновые аккумуляторы имеют хорошие перспективы уже сейчас. Исследования показали, что использование графеновой аккумуляторной батареи на электромобиле Tesla Model S может увеличить пробег с 300─400 до тысячи километров. При этом на зарядку графенового автомобильного аккумулятора потребуется 5─10 минут. Для этого нужно будет оснастить АЗС мощными зарядными станциями, но это вполне решаемая проблема.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Компания Graphenano из Испании является одним из крупных производителей графена в промышленных объёмах. Инженеры Graphenano и специалисты университета Кордовы в Испании несколько лет назад разработали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось создать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70─80%.

Graphenano

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung). Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

В Австралии разработками графеновых аккумуляторов занимаются специалисты университета Monash. Как известно, одной из проблем графена является поддержание его в стабильном состоянии. Этот материал стремится перейти в обычный графит, при котором теряются уникальные характеристики. Австралийские учёные решили эту задачу путём превращения графеновых пластин в водяной гель. Они утверждают, что если изготовить аккумулятор из этого геля, то скорость его зарядки составить всего несколько секунд.

Графен-полимерная аккумуляторная батарея

В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития). В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной). Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз. Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

Источник