Меню

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

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.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10 -12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

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 LiCoO 2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO 2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.

Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

  • 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.

[soc1] Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует. 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. Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей. Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

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

[soc2] Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий─ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет. 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.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

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. В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.

Читайте также:  Дата изготовления аккумулятора nissan

Опрос

Примите участие в опросе! [poll ] Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.

Источник

Графеновые аккумуляторы

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.

Особенности материала

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.

Получение

Существует несколько способов получения графена в условиях лаборатории или промышленных комплексов. Наиболее простым является послойное отсоединение от пиролитического графита при помощи механического воздействия на материал. Таким образом получаются высококачественные образцы, которые обладают повышенной активностью заряженных частиц. При использовании данного метода невозможно получать инновационный материал в промышленных масштабах из-за применения высокоточного ручного труда.

Интересно. Альтернативой является воздействие высокотемпературным отщеплением на соединение кремния с углеродом. Таким образом можно получать достаточно большое количество вещества в сжатые сроки. В 2010 году после исследования К. Новоселова и А. Гейма появилась возможность получать большие листы графена, которые образуются за счет осаждения вещества из фазы газа.

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

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.

Особенности магний-графенового аккумулятора

Батареи из магния были разработаны в 2017 году учеными и инженерами из Испании. Графеновые аккумуляторы с использованием магния в качестве электролита отличаются крайне быстрой скоростью заряжания и емкостью. Фактически это батареи нового поколения. Стоимость, относительно литий-ионных аналогов, упала на 77%. Масса также снизилась, на 50%. За счет высокой подвижности ионов время зарядки батареи составляет 8 минут. Максимальная емкость батареи достаточна для 1000 километров езды на электромобиле.

После тестирования немецкими автомобильными концернами было принято решение об ее использовании в промышленности. Хотя электромобиль без использования ископаемых источников топлива не способен достигать скорости традиционных транспортных средств на бензине или дизельном топливе, однако стоимость питания и обслуживания у него значительно ниже. Благодаря чему, машины на электричестве становятся перспективной разработкой.

Использование графенового аккумулятора в автомобиле

Важно! Относительно серийных авто на литий-ионных батареях, которые требуют подзарядки, графеновые аккумуляторы заряжаются намного быстрее и дают дальность хода приблизительно в 3 раза дольше.

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.

Видео

Источник



Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Графеновый аккумулятор

Алмаз, графит, древесный уголь – это все углерод в различных трехмерных кристаллических решетках. Но нас интересует новый вид кристаллов, двухмерный, плоский. Он назван графеном и имеет выдающиеся свойства. Расщепить кристаллы на молекулярном уровне удалось совсем недавно, в 2004 году. Огромный поверхностный заряд материала обусловлен плоской структурой. Для использования в электротехнике важны и другие свойства – отличная тепло- электропроводность, увеличение допустимой мощности микроэлектронных схем. При толщине поверхности 91*10 -12 м или 91 пикометра, на ней удерживается вес в 4 кг. Для аккумулятора важно, что тонкий слой графена принимает заряд мгновенно, и аккумулятор емкостью 55 А/ч заряжается за 8 минут.

ристаллическая решетка графена

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.

Ученые прогнозируют, будущее за графеновыми аккумуляторами. Их плюсы неоспоримы, а минусы минимальны. Но создать устойчивые компоненты, закрепить двухмерность углерода не просто.

Зарубежные научные корпорации пошли по пути создания графеновых накопителей энергии с электролитом в виде LiCoO2. Идут разработки, уже имеется опытное производство аккумуляторов с 2015 года. Первой стала испанская компания Graphenano. На зарядку графенового аккумулятора требуется всего 8 минут. При этом заявлено, что емкость литий-графеновых аккумуляторов в 10 раз больше, чем литий-ионных.

Принципиальная схема работы карбонового элемента

Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания. Ученые прогнозируют емкость новых, магниево-графеновых аккумуляторов, больше литиевых в 2,5 раза.

Не остались в стороне разработчики в области IT-технологий. Графеновые аккумуляторы входят в производство. Уже в 2018 году эксперты из компании Elecjet выпустят портативный заряжающий аккумулятор USB-C на графеновой основе. Зарядить телефоны iPhone 5,6,7 можно будет за 5-10 минут.

В январе 2018 года компания Samsung обещала поставить в торговые сети новый смартфон Galaxy S9 с настоящей графеновой батареей. При емкости в 3000мА/ч заряжаться телефон будет 15 минут. Компания получила патент на графеновый аккумулятор для смартфонов и будет единственным мировым поставщиком.

Читайте также:  Вещь дня портативный беспроводной гитарный комбик Boss

Графеновый аккумулятор для электромобиля

Электромобиль Тесла С с графеновым АКБ

Разработки аккумуляторов для автомобилей с графеном перспективны. Новости о производстве скупы. Компании всего мира стремятся создать собственные разработки. Поэтому информация о графеновых аккумуляторах засекречена.

В основном разработки ученых направлены на создание крупных аккумуляторов для транспорта. Автомобильный пробег на одной зарядке модели Tesla Mobil S составляет 800-1000 км, скорость зарядки 10-12 минут. Транспорт экологически чистый. С развитием производства графеновых аккумуляторов неизбежно строительство сети зарядных станций.

Графеновый аккумулятор

Производство графеновых аккумуляторов перспективно. Именно такого емкого и быстро заряжающегося источника энергии не хватает для развития электромобилей. Важно и то, что весит новый аккумулятор в 2 раза меньше литий-ионных батарей. Его механические свойства идеально вписываются в условия эксплуатации машин. Графен в 200 раз прочнее стали, эластичный. Первые опытные образцы уже проходят испытания.

В России лидером в разработке магний графеновых аккумуляторов является предприятие «Конгран» (конденсатор графеновый Академии наук), резидент центра Сколково. Ведутся работы по подбору и созданию устойчивой композиции двухмерного графена, стремящегося к объемной структуре.

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

Аккумуляторы для квадрокоптеров

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.

Графеновый АКБ для квадрокоптера

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.

Видео

Предлагаем посмотреть видео и оценить один из способов получения гибкого графенового аккумулятора своими руками.

Источник

Графеновые аккумуляторы — что это, характеристики

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.

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.

Источник

Графеновые аккумуляторы

графеновый аккумулятор Графен для аккумуляторов Графеновые аккумуляторы

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.

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:

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

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

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.

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.

Читайте также:  Какой аккумулятор нужно для шевроле лачетти

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.

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.

Посмотрите интересное видео про самодельный графеновый аккумулятор.

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.

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.

Другие разработки

Работы по усовершенствованию графеновых аккумуляторов кроме России и США активно ведутся и в других странах.

Учёным Австралии удалось открыть способ удержания графеновых пластин в стабильном состоянии. Ведь их неустойчивость, стремление вернуться в трёхмерное состояние, свойственное обычному графиту, была одной из основных проблем этого материала. Чтобы предотвращать это, учёные поместили пластины графена в водяной гель, что предотвращает их слипание. Кроме того, аккумулятор такой конструкции можно будет заряжать за считанные секунды. Стоимость геля невысока, ведь он состоит всего лишь из воды и углерода.

Практически каждый год в мире появляются новые технологии, которые позволяют более рационально использовать истощающиеся естественные ресурсы. К ним относится и изобретение графена, который в недалёком будущем, возможно, вызовет революционные изменения в транспортной системе благодаря своим уникальным свойствам в большом объёме аккумулировать и сохранять электрическую энергию. Вполне вероятно, каждый желающий сможет с помощью 3 D -принтера сделать графеновый аккумулятор своими руками.

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.

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

Решение проблемы века

Графеновый аккумулятор работает по тому же принципу, что и свинцовые с щелочным или кислотным электролитом. Этим принципом является электрохимическая реакция. По устройству графеновый аккумулятор схож с литиево-ионным с твердым электролитом, в котором катодом является угольный кокс, близкий по составу к чистому углероду.

Однако уже сейчас среди инженеров, разрабатывающих графеновые аккумуляторы, есть два принципиально разных направления. В США ученые предложили делать катод из пластин графена и кремния, перемежающихся между собой, а анод — из классического кобальта лития. Российские инженеры нашли другое решение. Токсичная и дорогая литиевая соль может быть заменена более экологичным и дешевым оксидом магния. Емкость аккумулятора увеличивается в любом случае за счет повышения скорости прохождения ионов от одного электрода к другому. Это достигается вследствие того, что графен обладает высоким показателем электрической проницаемости и способностью к накоплению электрического заряда.

графеновые аккумуляторы своими руками

Мнения ученых относительно инноваций разделяются: российские инженеры утверждают, что графеновые аккумуляторы имеют емкость в два раза больше, чем литий-ионные, а вот их зарубежные коллеги утверждают, что в десять.

Графеновые аккумуляторы запущены в массовое производство в 2015 году. К примеру, этим занимается испанская компания Graphenano. По словам производителя, использование этих аккумуляторов в электрокарах на логистических площадках показывает реальные практические возможности батареи с графеновым катодом. Для полной зарядки ему требуется всего восемь минут. Максимальную длину пробега также способны увеличить графеновые аккумуляторы. Зарядка на 1000 км вместо трехсот — вот что хочет предложить потребителю корпорация Graphenano.

Источник