Графеновые аккумуляторы

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Написано 4 января 2018 от generator-prosto. Нет комментариев

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.

Содержание статьи:

  • 1 Что за материал графен?
  • 2 Устройство графенового аккумулятора
  • 3 Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов
  • 4 Видеоматериалы по теме

Графеновые аккумуляторы. Что они из себя представляют и почему за ними будущее

Батареи смартфонов довольно технологичны в наши дни. Но есть одна вещь, которую потребители никак не могут получить увеличение времени автономной работы батареи.

Разве не было бы замечательно, если бы наши телефоны работали в течение двух или трех полных дней интенсивного использования с одной зарядкой? С графеновыми аккумуляторами это может быть осуществимо.

Графеновые аккумуляторы пока не применяются в смартфонах и других гаджетах, но технология развивается семимильными шагами. В будущем графен может стать материалом, который заменит литий, от которого индустрия электроники столь зависима.

Несмотря на то, что мы все еще далеки от коммерциализации графеновых технологий, в том числе аккумуляторов, все же стоит знать чем эта технология может помочь в будущем.

В данной статье вы сможете найти почти все, что связано с графеновыми аккумуляторами.

Что такое графеновый аккумулятор

Графен – широко известен как «чудодейственный материал» благодаря множеству своих удивительных свойств, которые он содержит. Это мощный проводник электрической и тепловой энергии, чрезвычайно легкий и гибкий с большой площадью поверхности. Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений.

Интересно знать! Аккумуляторы графеновые могут уменьшить воздействие батареи на окружающую среду.

Графен – это универсальная молекула, обладающая множеством уникальных и желательных свойств, и его можно применять по-разному, поскольку не существует универсального решения для его использования.

Он используется для улучшения многих преимуществ, уже присутствующих в обычных материалах, но он также помогает преодолевать предыдущие ограничения аккумулятора, что приводит к увеличению срока службы батареи или ее производительности.

Фото 1

Австралия

Источник: http://www.abercade.ru/research/industrynews/6975.html, 22.09.11

grafen-3Исследователи из австралийского университета Монаша нашли способ удержать графеновые пластинки в стабильном состоянии – сделать из них водяной гель. При этом выяснилось, что если на основе этого геля сделать аккумулятор, он будет заряжаться в течение нескольких секунд.

Дан Ли, сотрудник отделения технологии материалов университета Монаша в Австралии утверждает, что их открытие позволит создать аккумуляторы, которые смогут подзаряжаться буквально за несколько секунд. «Сложно создавать устройства на базе графена, — говорит ученый, — Поскольку собранные из него конструкции стремятся упорядочится в обычный графит и теряют все свои уникальные свойства».

Команда австралийских исследователей выяснила, что для того, чтобы удержать пластины графена от слипания их следует держать в воде. Когда графен находится в растворе в состоянии геля, пластинки не слипаются друг с другом и могут стать стабильной основой различных устройств.

Получившийся гель чрезвычайно дешев, поскольку состоит из углерода и воды и обладает, как выяснилось в ходе дальнейшего исследования, интересными свойствами. Его способность накапливать и удерживать электрический заряд во много раз превосходит параметры современных литиево-ионных аккумуляторов.

Такой аккумулятор, по словам самих исследователей, можно будет полностью зарядить за несколько секунд, что, безусловно, сделает его значительно более выгодным коммерчески, нежели современные батареи.

Что такое графен

Для начала давайте скажем несколько слов о таком материале как графен. Данный материал был искусственно получен еще в 2004 году российскими учеными и представляет из себя пленкообразную структуру, формированную из атомов углерода.

Если сказать по-простому, то графен – это плоскость графита, отделенная от общей структуры материала. При этом атомы расположены, так что формируется шестигранная кристаллическая решетка.

графеновая решетка

При этом образованное вещество настолько плотное, что обладает повышенной степенью жесткости и колоссальным запасом теплопроводности.

При этом электроны свободно могут перемещаться по структуре пленки, что открывает широкие перспективы для внедрения нового материала в полупроводниковые схемы.

Почему литий – это прошлое?

Литий-ионный аккумулятор имеет множество недостатков, несмотря на то, что он сейчас невероятно распространен: 

  • небольшой ресурс циклов заряда-разряда (до 1000);
  • саморазряд при комнатной температуре до 10% за год;
  • высокая температура сокращает срок эксплуатации;
  • медленная зарядка;
  • малый пиковый ток до 10С (13 Ампер);
  • при взаимодействии с кислородом может загореться и взорваться.

Как вы думаете: почему Apple не кладет к своим смартфонам зарядные устройства более 5 Вт? А потому, что чем быстрее будет заряжаться аккумулятор, тем больше он будет нагреваться. Именно высокие температуры приводят к уменьшению циклов и объема аккумулятора, а Apple старается заботиться о сроке службы своих гаджетов, поэтому это жертва ради более долгой эксплуатации смартфонов.  

Как осуществляется производство

Преобразование неорганических соединений на основе графена и металлов пригодных для использования может быть осуществлено многими способами. По мере развития новой технологии, методы часто изобретаются и впоследствии используются.

В любом методе, всегда есть несколько способов синтезировать сам материал. Было бы нецелесообразно описывать каждый из них, поэтому здесь будет рассмотрен один конкретный способ.

Чистый электрод на основе графена получают путем диспергирования порошка оксида графена (100 мг) в дистиллированной воде (30 мл) и обработки ультразвуком в течение 30 минут. Полученную суспензию нагревают на горячей плите до температуры 100 °С и затем добавляют 3 мл гидразингидрата.

Суспензию выдерживают при 98°С в течение 24 часов для восстановления оксида графена. Восстановленный оксид графена можно собирать фильтрацией, оставляя черный порошок. Отфильтрованный порошок затем несколько раз промывают дистиллированной водой, чтобы уменьшить избыток гидразина.

Порошок графена повторно диспергируют в воде с помощью ультразвука, и полученный раствор затем центрифугируют при 4000 об / мин в течение 3 минут для удаления более крупных частиц. Графен собирают вакуумной фильтрацией и сушат в вакууме. В промышленных масштабах производят компании Великобритании, России, Испании, США и Южной Кореи.

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

%D0%90%D0%BA%D0%BA%D1%83%D0%BC%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2.jpg

Любой летательный аппарат эффективности полета и его дальности обязан бортовой АКБ. При выборе источника энергии важны емкость, токоотдача, вес и габариты. До появления графеновых аккумуляторов непревзойденными качествами обладали литий-полимерные. Но они склонны к возгоранию при перезаряде и нагревании. Этих недостатков лишены магний графеновые аккумуляторы. Купить некоторые из образцов уже возможно.

Лучшим считается аккумулятор в жестком корпусе Turnigy Graphene 5000 mAh 2S2P. Новая батарея поддерживает высокую выходную мощность, под нагрузкой остается холодной. При этом батарея обеспечивает разряд 90С постоянно и 130С кратковременно. Вес конструкции с проводами и разъемами 291 грамм. Заряжается быстро с потреблением тока до 15 С, от LiPo зарядки.

Есть и другие аккумуляторы, разработанные на основе графеновых составляющих от разработчика Graphene. К ним относится:

  • модель FlyMod от компании ONBO Power;
  • Dinogy Ultra Graphene 02 4S 80C – вторая доработанная модель;
  • Thunder Power Adrenaline – лучшие модели для продолжительных полетов.

101319_high_2__7.jpg

Батареи из графена

Устройства из инновационного материала сделали качественный толчок в автомобилестроении. Наибольшую пользу получили электромобили. За счет повышенной активности заряженных частиц в материале емкость полученных графеновых аккумуляторов значительно повышается.

Первые источники питания на основе материала строились с добавлением лития в листы. Однако такая схема малоприменима для использования в промышленности из-за бурной реакции вещества с водой и другими окислителями. При контакте лития с водой на открытой местности происходит масштабный взрыв. Поэтому любое механическое повреждение автомобиля или батареи с последующим контактом с жидкостью может привести к возгоранию и невозможности тушения пожара в краткие сроки при использовании воды.

Графеновый аккумулятор

Графеновый аккумулятор

Также потребность в больших количествах лития существенно удорожала производство. Количество залежей вещества на планете незначительно, поэтому для длительного промышленного производства не хватит использования в аккумуляторах. Накопительные элементы с использованием данного материала отличались крайне медленным сроком зарядки, за счет чего их было затруднительно использовать в автомобильной промышленности. Поэтому требовалось получить новый источник питания с применением графена. Таковым стал магний графеновый аккумулятор.

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.

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, аккумулятор, графеновый акумулятор, аккумуляторная батарея, технологи, литий-ион, Tesla, композит

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.

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

  • уменьшенный вес изделия, за счет применения легких металлов;
  • с использованием современных технологий удалось добиться создания источников питания с малыми размерами;
  • повышенное значение внутренней проводимости;
  • увеличенный срок службы;
  • повышенное значение внутренней емкости и устойчивости к износу;
  • имеют возможность регулировки основных параметров;
  • сравнительно малая стоимость;
  • распространенность кристаллов углеводородов в природе.

Зарядка графеновой АКБ

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

  • Имеют плотность не пригодную для питания мобильной электроники. Аккумулятор, изготовленный для переносных гаджетов, будет иметь относительно большие размеры.
  • Малое число энергозаправочных станций для графеновых батарей.
  • В составе некоторых электродов при изготовлении применяется литий, который является редким металлом.

Что это за новый материал графен

Кристалл углеводорода, атомы которого располагаются в единой плоскости, получил название «графен». Толщина такого тонкого листа углерода, не имеющего цвета, не превышает один атом. Этот материал отличается повышенной прочностью и высокой энергоемкостью.

Российский ученый А.Гейм, совместно с К. Новоселовым, смогли искусственным путем получить графен на подложке оксида кремния. Этот материал представляет собой углеродную пленку, толщина которой в 1000 000 раз тоньше, чем обыкновенный лист бумаги.

Сегодня во многих странах, исследователи, занимаются созданием технологического процесса по изготовлению этого передового материала. Начало его изготовления станет первым революционным шагом в современной электронике. Появится возможность на его основе создать новые типы устройств:

  • Полупроводниковые приборы.
  • Мониторы.
  • Графеновые аккумуляторы.

Перспективы графена

Массовое введение в эксплуатацию графеновых аккумуляторов будет значительным шагом вперед не только для науки, но и для промышленности. Так, развитие массового производства этого энергоносителя повлечёт за собой:

  • создание производственных линий по производству графена;
  • создание новых моделей электромобилей;
  • развитие сети электрозаправок и как следствие постройка новых электростанций;
  • продвижение и исследование феномена Тесла по беспроводной передаче электроэнергии, вместе со строительством более разветвлённой и мощной энергосети;
  • создание новых мощных и компактных вычислительных устройств;
  • повышение экологической безопасности транспорта.

В этом отношении графен открывает новые перспективы, и не только в науке, но и в производстве и даже в быту.

Tesla S

Tesla S

Как устроен графеновый аккумулятор

На самом деле графеновый аккумулятор по своему строению мало чем отличается от строения литий-ионной батареи с твердым электролитом.Единственное что в случае с графеном катод выполнен из угольного кокса, по причине того что его хим. состав приближен к чистому углероду, а графит заменен на графен.структура графенового аккумулятора

Для того чтобы повысить емкость батареи инженеры добавили между слоями графена участки из кремния. А для увеличения скорости зарядки в пластинах графена проделали небольшие отверстия по 15-20 нанометров в диаметре.

Вот и все в остальном это обычная батарейка.

Заключение

Без сомнения графеновые аккумуляторы еще найдут свою нишу и вполне возможно полностью потеснят литий-ионные аккумуляторы с их пьедестала, но пока они не вышли на широкий рынок, говорить об этом рано.

Поделиться ссылкой:

Преимущества и проблемы

Аккумуляторам с используемым в них плоским кристаллом графита сулят большие перспективы. Они отличаются:

  • Достоинства и недостатки тяговых аккумуляторовменьшим весом;
  • высокой проводимостью;
  • большой прочностью и водонепроницаемостью;
  • экологической чистотой;
  • повышенной удельной ёмкостью;
  • возможностью регулировки своих качеств благодаря комбинированию с другими материалами;
  • лёгкой устранимостью повреждений;
  • невысокой ценой на сырьё.

Главная проблема графеновых аккумуляторов на сегодняшний день — их размер. Они получаются слишком большими для установки в мобильные устройства. Пока эта проблема не решена.

В отличие от гаджетов, в автомобилестроении графен имеет прекрасные перспективы уже сейчас. Установка аккумуляторов из графена на электромобиль увеличивает его пробег между двумя зарядками в три раза, до 1000 км. Зарядка длится самое большее 10 минут. Оснащение для этого АЗС заправочными станциями проблемой не является.

Преимущества аккумуляторов

К основным достоинствам источников питания из инновационного материала относят:

  • Низкая масса. Квадратный метр вещества за счет пленочной структуры, состоящей из слоя в один атом, весит менее 1 грамма. Благодаря чему, батареи, источники питания и другие изделия из материала получаются значительно легче аналогов;
  • Вещество полностью прозрачное, что позволяет проще обслуживать агрегаты на основе графена;
  • Высокие физические характеристики гибкости и прочности. Графен прочнее стали приблизительно в 200 раз при сходной толщине, благодаря чему механические повреждения не наносят вреда аккумулятору. За счет пленочной структуры батарею будет легко восстановить;
  • Большое количество свободных ионов и рекордная проводимость заряда позволяют получать скорость до 100 раз выше, чем у кремния. Поэтому материал можно использовать для создания электронных вычислительных машин.

Графен представляет собой инновационный материал с высокими физическими характеристиками прочности и проводимости. За счет чего сырье нашло применение во множестве различных сфер, начиная от радиодеталей и компьютеров, заканчивая источниками питания. Аккумуляторы из графена с магниевым элементом отличаются повышенной относительно аналогов емкостью и крайне высокой скоростью заряда. Благодаря чему, могут использоваться во множестве сфер, начиная от автомобилестроения, заканчивая питанием различным деталей, изготовленных своими руками.

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.

Где можно приобрести графеновые аккумуляторы?

grafenovyiy-akb-1.jpg

К большому сожалению, на данный момент эти высокоэффективные изделия существуют только в виде проектов — по поводу серийного же производства, никто однозначно ответить не может. Однако когда эту продукцию таки поставят на конвейер доведя перед этим до совершенства, потребителя ожидает настоящее техническое чудо, чуть ли не фантастика, ведь такие батарейки смогут без подзарядки функционировать целый год!

Графен ещё мало изучен, поэтому высшие чины не торопятся давать ему ход. Но, представьте себе, что в одном боксе, с габаритами как у пачки масла, может вместиться 1 МВт энергии! Наверняка найдутся деструктивные личности, которые захотят использовать данную технологию далеко не во благо! Но в то же время, автопроизводители не останавливаются на достигнутом и продолжают тестировать изобретение на своих производственных мощностях, постепенно доводя графеновые АКБ до нужных им кондиций.

Заключение

Вот такие они, источники питания на основе графена, весьма многообещающие но ещё не изготавливаемые серийно. Без сомнений, их время настанет, ведь у данной аппаратуры огромнейшее количество преимуществ и практически нет недостатков. Разработчики не зря сделали ставку на графен, однако им всё же нужно время, чтобы довести технологию до ума!

Графеновая революция видео 

Новые материалы по этой тематике:

Старые материалы по этой тематике:

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% ».

graphene-4.jpg

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...