Графеновый аккумулятор: устройство, работа, перспективы

Материал графен

Углеводородный кристалл атомы вещества которого расположены на одной плоскости называют графеном. Лист данного материала имеет толщину не более одного атома, вещество не имеет цвета. Отличительными особенностями графена стали высокая прочность и энергетическая емкость.

Молекулярная решетка графена

Российским ученым удалось синтезировать такое вещество искусственным путем на окисле кремния. Полученная толщина составила значение в миллион раз тоньше обычного листа бумаги.

Многие страны современного мира занимаются созданием поточных производственных линий по изготовлению графена. На базе такого вещества получится создать такие приборы как:

Читайте также:  Что такое фазное напряжение в трехфазной сети переменного тока

  • сверхтонкие мониторы;
  • приборы на полупроводниках;
  • графеновый аккумулятор.

Интересно знать! Источники питания на основе графена не содержат токсичных примесей и веществ.


Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов

Если говорить о промышленных масштабах, то разработкой этого материала занимается испанская фирма Graphenano. Ее инженерам удалось создать графеновую батарею, стоимость которой на 70% ниже, чем у других производителей. Тестирования нового аккумулятора показало увеличение пробега электромобиля до 1000 км. Его полная зарядка происходит в течение 7 минут. Вес такой батареи намного меньше массы литий-ионного аналога, имеющего похожие характеристики.

В 2015 году фирма Graphenano создала в Испании большое предприятие, занимающееся производством графеновых аккумуляторов. В открытии участвовали инженеры фирмы Grabat Energy, а также ученые Кордовского университета. Мощности завода позволяют выпускать 80 миллионов ячеек в год. Выпуск новых графен-полимерных аккумуляторов ожидался в начале 2021 года. Однако, изделия выпущенного на этом предприятии, пока еще никто не видел.

Графеновый аккумулятор своими руками

Уже понятно, создать двухмерную структуру графена и закрепить его свойства – задача не из простых. Ученые всего мира работают над проблемой. Сделать в кустарных условиях графеновый аккумулятор невозможно.

Но усвоив, что слой углерода должен быть микроскопически тонким, мастера получают такой разными способами. Они истирют графит в тонкодисперсный порошок, производят химическую обработку, наносят его на подложку из алюминия. Предлагаем ознакомиться с одним из способов получения нужного состава.

Потребентся металлический сосуд с герметичной закрывающейся крышкой, с мешалкой. Миксер работает от асинхронного двигателя без перерыва 2 суток. В емкости смешивается в пену графитовый порошок с жидкостью Ферри. В полученной пене во взвешенном состоянии находятся микроскопические частицы графита. Высушить пену, собрать пыль, растворить ее в лаке для обработки алюминия – вот и готов «графен». Теперь состав нужно нанести на подложку из алюминия и строить магний-графеновый аккумулятор своими руками.

Есть способы сбора угольной пыли на липкую ленту, выжигание лучом лазера с получением чешуйчатого материала, растворение графита в смеси азотной и серной кислот. Высохший осадок выжигают в установке, получая легкие хлопья. Считают этот вид сажи графеном и работают с ним.




Перспективы графена

Широкое распространение данного вещества позволит создавать новые производства и исследовательские центры. Станет возможным применять такой материал на производстве и для хозяйственных нужд. Серийное изготовление графена позволит создавать:

  • линии для производства данного материала;
  • новые модели электромобилей;
  • специализированные энергозаправки;
  • открытие новых электростанций;
  • создание компьютеров компактных размеров;
  • позволит снизить вредные выбросы.

Что такое графеновый аккумулятор

Благодаря открытию углеводородного материала с кристаллами толщиной в один атом, у исследователей возник вопрос создания совершенной аккумуляторной батареи с улучшенными техническими характеристиками.

Устройство источника питания

Принцип работы графеновых источников питания многим напоминает распространенные кислотные аккумуляторы. В процессе протекания химических реакций происходит выработка и накопление электрического тока.

Устройство источников питания на основе графена напоминает литий полимерные АКБ. В настоящее время для того, чтобы создать графен полимерный аккумулятор разработано несколько специальных технологических процессов.

В роли положительного электрода выступает материал, состоящий из пластин графена и кремния. Отрицательным электродом служит в одном случае вещество на основе кобальта, во втором магниевый оксид, имеющий пониженную стоимость. Изготовление таких источников питания в домашних условиях невозможно ввиду сложности технологии производства.

Виды

Современные технологии рассматривают два основных направления по разработке графеновых источников питания:

  1. Лития кобальтат применяется в качестве отрицательного электрода. В роли положительно заряженного электрода выступает материал, состоящий из монопленки и графена. Применение таких аккумуляторов не распространено так как их производство обусловлено повышенными затратами, помимо этого, соли на основе лития обладают токсичностью.
  2. Во втором варианте исполнения данных батарей в качестве отрицательного электрода применяют соединения на основе магния. Такие источники питания обладают повышенными полезными характеристиками и имеют пониженную стоимость. Используемые вещества в таких батареях не являются токсичными.

Графеновая батарейка

Интересно знать! Магний графеновые батареи являются наиболее перспективным направлением при разработках в этой отрасли.

Устройство графенового аккумулятора

Типичный графеновый аккумулятор – понятие весьма условное. Существует не так много производителей, занимающихся производством и совершенствованием таких устройств, и большинство из них не слишком расположены сообщать, как устроен графеновый аккумулятор, каковы особенности технологического процесса.

Пионером в сфере изготовления графеновых источников питания стала испанская компания Graphenano, анонсировавшая в 2015 году опытный образец такой АКБ.

Читайте также:  Практическая работа, расчет параметров асинхронного двигателя.

Именно эта разработка дала мощный толчок стремительному развитию графеновых аккумуляторов для электромобилей, используемых в качестве замены традиционным ионно-литиевым батареям.

Основным отличием является использование тончайших графеновых плёнок вместо объёмного графита. Проблема заключается в том, что графен нестабилен и при любой возможности стремится снова превратиться в графит, то есть стать объёмным. Учёным удаётся стабилизировать графен, который используется в качестве гальванического элемента, эффективность этого процесса зависит от того, насколько удачно подобрана электронная пара к графену.

Большинство зарубежных моделей графеновых АКБ использует в качестве электролита LiCoO2. Характеристики графеновых аккумуляторов для электромобилей уже впечатляют, а ведь технология находится на стадии младенчества. В частности, при одинаковой ёмкости они обеспечивают кратное возрастание скорости зарядки/разряда. Важность быстрого заряда (за 8–10 минут) не имеет смысла расписывать, но и способность скоростной разрядки позволяет существенно усилить разгонную динамику электромобилей. К тому же графеновые АКБ существенно легче литий-ионных, что позволяет при одинаковых габаритах создавать батареи на порядок большей ёмкости.

В сфере аккумуляторов для смартфонов и других портативных гаджетов дела идут не столь радужно, но в скором времени мы услышим о первых моделях, оснащённых графеновыми батареями.

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.

Технология графеновых АКБ

Стремительное развитие электромобилей заставило ученых и инженеров заняться разработкой и созданием новейших АКБ. Последним достижением является графеновый аккумулятор, превосходящий своими характеристиками литиевые батареи.

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.

Как устроен графитовый аккумулятор

Принцип работы графеновых аккумуляторов ничем не отличается от классических свинцовых аккумуляторов. В них также протекают электрохимические процессы. Конечно, реакция, проходящая внутри батареи, отличается от процесса, в основе которого лежит кислотный электролит.

Устройство такого аккумулятора напоминает литиевые полимерные аккумуляторы. Сегодня для изготовления графен полимерных аккумуляторов, разработан ряд технологических процессов.

В одном в качестве катода используются чередующиеся пластины графена, совместно с кремнием. Роль анода играет кобальтат лития. Другая технология основана на замене кобальтата лития на дешевый оксид магния.

Стоимость графенового АКБ с магнием намного дешевле, чем аналогичная стоимость аккумулятора с литием. Создать такой аккумулятор своими руками невозможно. Слишком сложная технология изготовления, не рассчитанная на бытовые условия.

К преимуществам таких АКБ относятся:

  • Малый вес.
  • Компактные размеры.
  • Высокая проводимость.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Повышенная износостойкость.
  • Отвечает требованиям экологии.
  • Емкость — 1кВт/ч.
  • Возможность настройки нужных параметров.
  • Невысокая стоимость графена.
  • Трехмерные кристаллы углерода постоянно встречаются в природе.

К сожалению, кроме большого числа положительных качеств, этот материал отличается рядом серьезных недостатков. Исследования показали, что графеновые батареи обладают плотностью, которая не годится для аккумуляторов мобильных гаджетов.

Изделие получается слишком большим. Сегодня ученые пытаются создать прибор с меньшими размерами, но пока еще не удалось получить рабочий образец.

Магний графеновый аккумулятор заинтересовал передовые компании, выпускающие автомобили. Установленный на электромобиль, аппарат увеличил пробег машины до 1000 км. Причем для зарядки такой батареи потребуется около 10 минут. На АЗС нужно будет установить специальные зарядные станции.

Современные электромобили отличаются от легковых машин небольшим пробегом. Заряда батареи хватает на небольшой пробег. Графеновые батареи легко решают эту проблему, пробег увеличивается до 1000 км. Такие аккумуляторы сделают электромобили более популярными и востребованными.

Для изготовления графеновых батарей используется литий. В природе литий встречается не слишком часто, его запасы не способны удовлетворить мировое автомобилестроение. Сегодня инженеры разрабатывают приборы, в которых магний встанет на замену лития.

Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов

Если говорить о промышленных масштабах, то разработкой этого материала занимается испанская фирма Graphenano. Ее инженерам удалось создать графеновую батарею, стоимость которой на 70% ниже, чем у других производителей.

Тестирования нового аккумулятора показало увеличение пробега электромобиля до 1000 км. Его полная зарядка происходит в течение 7 минут. Вес такой батареи намного меньше массы литий-ионного аналога, имеющего похожие характеристики.

В 2015 году фирма Graphenano создала в Испании большое предприятие, занимающееся производством графеновых аккумуляторов.

В открытии участвовали инженеры фирмы Grabat Energy, а также ученые Кордовского университета. Мощности завода позволяют выпускать 80 миллионов ячеек в год.

Выпуск новых графен-полимерных аккумуляторов ожидался в начале 2017 года. Однако, изделия выпущенного на этом предприятии, пока еще никто не видел.

Руководство Graphenano утверждает, что новые графеновые батареи для электромобилей, будут пожаробезопасными, полностью защищенными от возникновения короткого замыкания. Специальный полимерный материал, который необходим для создания прибора, разработали немецкие ученые из института TUV, совместно с учеными из испанского университета Декра.

Немецкие концерны уже начали сегодня тестировать на собственных автомобилях продукцию Graphenano.

США также занимались созданием таких изделий. Основная работа касалась увеличения емкости батареи, достижения быстрой зарядки. Принцип действия таких АКБ аналогичен литиевым изделиям. Емкость батареи зависимости от числа ионов, находящихся в кристаллической решетке анода (катода).

Активность движения таких ионов оказывает серьезное влияние на быстроту зарядки. Для достижения большей ёмкости, ученые установили между слоями графена специальные кремниевые кластеры. Чтобы скорость заряда стала намного быстрее, в пластинах материала были сделаны отверстия, величиной 15–20 нанометров. Они способствовали ускорению движения ионов лития

Ученые австралийского университета Monash, при разработке графеновой батареи, стремились достичь стабильного состояния аккумулятора. Дело в том, что это материал постоянно стремится превратиться в обыкновенный графит.

Если это происходит, уникальные характеристики полностью исчезают. Австралийским учёным удалось решить эту проблему. Они превратили графеновые пластины в водянистый гель.

По их мнению, если аккумулятор будет состоять из такого геля, батарея будет заряжаться в течение нескольких секунд.

Ученые университета Monash, решили поместить этот материал в гелиевый раствор. В результате, пластины перестали слипаться, стало поддерживаться стабильное состояние вещества. Такие изменения позволили использовать материал и для создания других конструкций. Для получения гелия применялось два компонента:

Производство гелиевого раствора не требует больших финансовых затрат. Аккумулятор на таком растворе отличается сильным электрическим зарядом, который на порядок превосходит аналогичные показатели литий-ионных АКБ.

  1. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, однако серийных образцов до сих пор нет.
  2. В России разработка графеновых аккумуляторов связана с использованием магния, который должен заменить литий.
  3. Российские ученые считают приоритетным направлением применение графеновых изделий в автомобилестроении, ветряной или солнечной энергетике.
  4. Разработкой новейших аккумуляторов для электромобилей в России, занимается компания «Конгран».

Инженеры пытаются создать прибор, мощность которого будет намного превышать все имеющиеся, современные аналоги. Причем стоимость таких устройств будет гораздо дешевле.

Российские ученые предложили устанавливать катод, сделанный из гипероксидированного графена. Анод должен состоять полностью из чистого магния. Все аккумуляторы работают по одному принципу. В них происходит реакция окисления вещества и его дальнейшее восстановление.

Для проведения такой реакции полностью подходит магний. Он стоит намного меньше лития. Это вещество не имеет недостатков, характерных для лития.

К примеру, на воздухе литий начинает мощную реакцию с водой, он очень сложен для утилизации. Магниевый анод придает такой батареи большую энергетическую емкость.

Технологический процесс добычи магния аналогичен получению алюминия. Довольно часто магний находят в глине.

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.

Видео на тему графеновых аккумуляторов

В природе углерод имеет две формы – графит и алмаз. Одна из них используется в карандашах, другая – является наиболее прочным материалом на планете. В 2004 году группа российских ученых обнаружила третью форму – графен.

Вещество представляет собой пленкообразную структуру из углеродных атомов. В природе данная двумерная пленка не встречается, единственный способ получения – изготовление под давлением и температурой. Фактически вещество представляет собой плоскость графита, которую отделяют от единой структуры. Между собой атомы углерода соединены в шестигранную кристаллическую решетку. За счет высокой плотности связей вещество обладает высокой степенью жесткости и огромным запасом теплопроводности. За счет повышенной подвижности электронов в веществе материал перспективен для использования в полупроводниковых схемах, батареях и нанотехнологиях. Графеновые аккумуляторы отличаются рекордной емкостью при незначительной массе.

Технические характеристики и особенности

В области аккумуляторов обычные материалы значительно улучшаются при использовании графена. Магний графеновый аккумулятор может быть легким, долговечным и подходящим для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки. Он добавляет проводимость, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Литий-ионные батареи (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены за счет введения графена в анод батареи и использования проводимости материала для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Важно! Проводимость батарей на основе графена значительно выше по сравнению с остальными полупроводниковыми материалами.

Фото 2

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия VO 2 и графена может быть использован на литий-ионных катодах, что обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки.

В этом случае VO 2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO 2 — создавая гибридный материал, обладающий как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.

Альтернативные разработки

Графеновые суперконденсаторы являются одним из альтернативных направлений при разработке источников питания на основе графена. Благодаря новейшим технологиям удалось получить конденсатор повышенной емкости с высокой энергетической плотностью. Причем с увеличением рабочей температуры полезные свойства только улучшаются.

Графеновый суперконденсатор (схема)

Конденсатор такого типа способен восстанавливать заряд за считанные минуты, зависти это от мощности источника энергии. Производство и исследования графена облегчило создания сверхтонких полупроводников и конденсаторов высокой емкости.

Важно! Толщина графена в полупроводнике может достигать размеров одного атома.

Открытие накопителей с углеродными электродами позволит ускорить широкое использование электротранспорта и миниатюрных электронных устройств.

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.

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

Не революция, а эволюция

Если посмотреть на литиевые аккумуляторы под другим углом, то окажется, что они вовсе не стоят на месте, а постоянно развиваются — просто это развитие не скачкообразное, а очень плавное и постепенное. И самое главное: технология литиевых аккумуляторов ещё не достигла своего предела, и, возможно, графен поможет раскрыть потенциал литиевых аккумуляторов на 100 %.

Ёмкость аккумуляторов

Нам кажется, что увеличения ёмкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли запасать порядка 100 Вт·ч/кг, спустя 20 лет постепенного развития эта величина удвоилась. На данный момент литиевые аккумуляторы могут запасать 200–240 Вт·ч/кг. По мнению учёных, им удастся увеличить энергоёмкость до 400 Вт·ч/кг. И, вполне возможно, именно графен поможет приблизить этот показатель к реальности.

Скорость зарядки

Это ещё один важный параметр, который уже сейчас улучшают за счёт графена. Так как графен имеет низкое сопротивление и прекрасно проводит ток, компоненты с добавлением графена меньше греются. Кроме того, графен столь же хорошо проводит и тепло, благодаря этому нагрев компонентов батареи лучше рассеивается.

В последние годы мы видим, как стремительно развиваются технологии быстрой зарядки. Не так давно гремели презентации технологий быстрых зарядок мощностью 120 Вт. И вот совсем недавно Xiaomi показала зарядку мощностью 200 Вт, которая наполняет батарею Mi 11 Pro ёмкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, в батарее этого Mi 11 Pro не обошлось без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.

Чувствительность к температуре

Что пока не удалось значительно улучшить, так это чувствительность батарей к перепадам температуры и количество циклов заряда-разряда. В этих вопросах пока даже графен животворящий особо помочь не может. Точнее, графен помогает частично нивелировать негативное воздействие перегрева, а вот с низкими температурами бороться у него не выходит.

Продление срока службы

Что касается увеличения количества циклов заряда-разряда, то тут в помощь приходит другой компонент — кремний. Он позволяет увеличить ресурс литиевых батарей до 300 %, но побочный эффект кремния — увеличение размеров аккумуляторов. В итоге батареи с кремнием либо будут иметь такую же ёмкость, как и сейчас, но при этом будут физически в несколько раз больше, либо мы можем сделать компактную и долгоживущую батарею, которая будет иметь маленькую ёмкость.

Как устроен графитовый аккумулятор

Принцип работы графеновых аккумуляторов ничем не отличается от классических свинцовых аккумуляторов. В них также протекают электрохимические процессы. Конечно, реакция, проходящая внутри батареи, отличается от процесса, в основе которого лежит кислотный электролит.

Устройство такого аккумулятора напоминает литиевые полимерные аккумуляторы. Сегодня для изготовления графен полимерных аккумуляторов, разработан ряд технологических процессов.

Читайте также:  Усилитель сигнала термопары

В одном в качестве катода используются чередующиеся пластины графена, совместно с кремнием. Роль анода играет кобальтат лития. Другая технология основана на замене кобальтата лития на дешевый оксид магния. Стоимость графенового АКБ с магнием намного дешевле, чем аналогичная стоимость аккумулятора с литием. Создать такой аккумулятор своими руками невозможно. Слишком сложная технология изготовления, не рассчитанная на бытовые условия. К преимуществам таких АКБ относятся:

  • Малый вес.
  • Компактные размеры.
  • Высокая проводимость.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Повышенная износостойкость.
  • Отвечает требованиям экологии.
  • Емкость — 1кВт/ч.
  • Возможность настройки нужных параметров.
  • Невысокая стоимость графена.
  • Трехмерные кристаллы углерода постоянно встречаются в природе.

К сожалению, кроме большого числа положительных качеств, этот материал отличается рядом серьезных недостатков. Исследования показали, что графеновые батареи обладают плотностью, которая не годится для аккумуляторов мобильных гаджетов. Изделие получается слишком большим. Сегодня ученые пытаются создать прибор с меньшими размерами, но пока еще не удалось получить рабочий образец.

Магний графеновый аккумулятор заинтересовал передовые компании, выпускающие автомобили. Установленный на электромобиль, аппарат увеличил пробег машины до 1000 км. Причем для зарядки такой батареи потребуется около 10 минут. На АЗС нужно будет установить специальные зарядные станции.

Современные электромобили отличаются от легковых машин небольшим пробегом. Заряда батареи хватает на небольшой пробег. Графеновые батареи легко решают эту проблему, пробег увеличивается до 1000 км. Такие аккумуляторы сделают электромобили более популярными и востребованными.

Для изготовления графеновых батарей используется литий. В природе литий встречается не слишком часто, его запасы не способны удовлетворить мировое автомобилестроение. Сегодня инженеры разрабатывают приборы, в которых магний встанет на замену лития.

Посмотрите интересное видео про самодельный графеновый аккумулятор.

США

Источник: http://nauka21vek.ru/archives/22331, 20.11.2011

grafen-0
Исследователи из Северо-Западного университета (США) нашли способ десятикратного улучшения ключевых характеристик ионно-литиевых аккумуляторов — ёмкости и скорости зарядки. В ионно-литиевых батареях энергия вырабатывается в результате химической реакции, во время которой ионы лития перемещаются через электролит от анода к катоду. При подзарядке ионы движутся в обратном направлении. Ёмкость батарей при этом зависит от количества ионов, которое могут вместить анод или катод, а время подзарядки — от скорости движения ионов.

Американские исследователи, проводившие работы под руководством профессора Гарольда Кунга (Harold Kung), внесли изменения в структуру электродов: для увеличения ёмкости между пластинами графена были размещены кремниевые кластеры. Скорость зарядки удалось повысить путём формирования крошечных (диаметром 10–20 нанометров) отверстий в графеновых пластинах, ускоряющих прохождение ионов лития.

В результате, как утверждается, становится возможным увеличение ёмкости аккумулятора и скорости подзарядки в десять раз по сравнению с современными батареями. Г-н Кунг отмечает, что даже после 150 циклов подзарядки, чего хватит на год использования портативного устройства, новые источники питания оказываются в пять раз эффективнее обычных.

Учёные полагают, что вывести новую технологию на рынок удастся в течение трёх–пяти лет.

История открытия

Поиски новых материалов для аккумуляции электрической энергии учёные вели давно. Применяемые до сих пор составляющие батарей и аккумуляторов уже не отвечали современным требованиям к электротехнике. Особенно это относилось к батареям и аккумуляторам, чьи невысокие технические характеристики тормозили развитие новых экономичных и экологически чистых транспортных средств.

Исследования увенчались успехом в 2004 году, когда двое британских учёных, выходцев из России, Константин Новосёлов и Андрей Гейм, получили в лаборатории новый материал с нужными свойствами на основе углерода — графен. За создание углеродной плёнки толщиной в один атом на подложке из оксида кремния с высокими аккумулирующими характеристиками учёные получили в 2010 году Нобелевскую премию.

Эта разработка считается самой перспективной в области технологий аккумулирования электроэнергии, хотя технически ещё и не получила массового применения.

Развитие производства графеновых батарей

В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2021 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.

Интересно знать! Испания является единственной страной, в которой графеновый аккумулятор производится серийно.

Американские и европейские разработчики находятся на стадии научно-исследовательской работы. Однако ученые из Австрии значительно продвинулись вперед. У них получилось разместить монопленку графена в оболочку из гелия, в результате чего стало возможным сохранить пластины на стабильном расстоянии друг от друга. В результате было предотвращено возможное слипание.

Российские разработки направлены на создание магний графенового аккумулятора повышенной емкости с малыми размерами. О массовом производстве пока информации нет.

Читайте также:  Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки.

Графеновый аккумулятор в настоящее время можно считать новым поколением источников питания. В ближайшем будущем станет возможным заменить автомобильную технику с двигателем внутреннего сгорания на экологически чистый транспорт с питанием от графеновых батарей.

Вам также может быть интересно

.

Никель-металлогидридный (ni-mh) аккумулятор
Аккумуляторы 0

Электромобиль Fisker EMoion получит инновационную графеновую АКБ

Компания Fisker Inc., основанная датским дизайнером и предпринимателем Хенриком Фискером, опубликовала первые фотографии электромобиля EMoion. В производство он будет запущен в следующем году.

В феврале этого года «За рулем» рассказывал об изобретении ученых Стэнфордского института материаловедения и энергетики из Калифорнии, которые решили проблему износа литий-ионных аккумуляторов с помощью графена и попутно увеличили их удельную емкость. Тогда казалось, что это очередная технология послезавтрашнего дня, на «допиливание» которой уйдут десятилетия. Однако Хенрик Фискер заявил на прошлой неделе, что его будущий электромобиль получит именно такие графеновые батареи, а вчера опубликовал в своем Твиттере первые полноценные фотографии новинки.

Определить по снимкам габариты машины трудно, цифр Фискер пока не разглашает, но обещает просторный салон и удобный процесс посадки-высадки через двери гильотинного типа. В конструкции кузова использованы углепластик и алюминий. Известно, что Fisker EMoion сможет проехать на одной зарядке свыше 400 миль (644 км) и разогнаться до 260 км/ч. Прочие ТТХ будут объявлены в следующем году во время официальной презентации серийной версии модели. Производиться электромобиль будет в США, ожидаемая стартовая цена — менее 40 тыс. долларов, в то время как самая дешевая Tesla Model S с запасом хода 350 км стоит сейчас 66 тыс. долларов.

Любопытно, что инновационные батареи у Фискера собственного производства — их выпуском займется дочернее предприятие Fisker Nanotech. В будущем Фискер не исключает возможности продажи графеновых АКБ другим автопроизводителям.

Учитывая прежние неудачи Фискера, анонсированная им графеновая революция вызывает у многих экспертов здоровый скепсис, но если у датчанина, наконец-то, все получится, то он может утереть нос самому Илону Маску!

Кстати, система автономного вождения, которой так кичится Tesla Motors, у Fisker EMoion тоже будет. Хенрик Фискер, по крайней мере, на это очень надеется.

  • Хенрик Фискер по-прежнему является совладельцем и главным дизайнером фирмы VLF Automotive, специализирующейся на мощных спорткарах с традиционными бензиновыми двигателями.
  • Fisker Inc. вышла в публичное пространство в начале октября, а спустя две недели в США родилась еще одна амбициозная фирма — Lucid Motors, которая также планирует выпускать «лучшие в мире электромобили», причем в отличие от Фискера у Lucid Motors уже есть работающий прототип машины.
Источники

  • https://RemmachSerp.ru/teoriya-elektro/grafenovyj-akkumulyator-harakteristiki.html
  • https://BurForum.ru/teoriya-i-opyt/grafenovyj-akkumulyator-chto-eto.html
  • https://auto-gl.ru/grafenovyy-akkumulyator-noveyshaya-tehnologiya/
  • https://math-nttt.ru/teoriya/grafitovye-batarei.html
  • https://nwfasad.ru/elektroteoriya/grafitovye-batarei.html
  • https://IstochnikiPitaniy.ru/akkumulyatory/batarei/grafenovye.html
  • https://naukatehnika.com/grafenovyj-akkumulyator-perevorot-v-mire-texnologij.html
  • https://wylsa.com/kogda-nastupit-revolyucziya-v-akkumulyatorah/
  • https://stroi-s-ka.ru/spravka-info/grafitovyj-akkumulyator.html
  • https://altenergiya.ru/accumulator/akumulyatory-novogo-tipa-na-osnove-grafena.html
  • https://rmp-energo.ru/sekrety-i-fakty/grafenovyj-akkumulyator-svoimi-rukami.html
  • https://1msk.su/svoimi-rukami/grafen-svoimi-rukami-akkumulyatory-novogo-pokoleniya-dlya-elektrotransporta.html

[свернуть]