Как сделать графеновый аккумулятор

Как сделать

Графеновые аккумуляторы

Развитие электротранспорта подтолкнуло исследователей новых технологий к созданию альтернативных источников питания. Одним из таких видов стал аккумулятор с графеновыми электродами. Рассмотрим, что это такое, принцип работы и устройство.

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.

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:

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

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:

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.

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

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

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

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.

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.

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 2017 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.

Источник

Что такое графеновые аккумуляторы, и какие у них перспективы

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

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

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

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

Что такое графен

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

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

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

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

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

Читайте также:  Как сделать краску для машины

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

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

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

Устройство АКБ на основе графена

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

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.

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

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

Сильные и слабые стороны

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

Сильных сторон достаточно много. Среди них можно выделить такие:

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

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

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

Текущая разработка графеновых АКБ

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

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

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

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

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

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

Эту проблему решили за счёт превращения пластин графена в гель.

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

Перспективы развития

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

Читайте также:  Как сделать локоны разные способы

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

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

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

Источник

Что такое графеновая батарея?

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

С графеновыми батареями это все возможно.

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

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

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

Что такое графеновая батарея?

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

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

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

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

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

Чем они отличаются от традиционных батарей?

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

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

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

Текущие проблемы

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

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

12 новых характеристик графеновых батарей

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

1. суперконденсаторы с линейной фильтрацией переменного тока

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

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

2. Гибкие накопители энергии

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

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

3. Растягивающиеся батареи и суперконденсаторы

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

Пленка графен-УНТ / активный материал на растягиваемой подложке

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

4. Литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой

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

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

Читайте также:  Как сделать тесто для птичек

5. Аккумуляторы для носимых устройств

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

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

6. Ультратонкие токоприемники для легких устройств

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

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

7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы

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

8. Батареи с увеличенным сроком службы

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

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

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

9. Оксид графена в качестве твердого электролита и сепаратора

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

10. Суперконденсаторы с удельной энергией батарей

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

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

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена

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

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

12. Электроды без связующих и добавок

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

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

Последние исследования

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

Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен/кремний

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

Синтетическая стратегия оптимизированного композита RGO / Si

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

Графеновые многослойные пленки для емкостного накопления энергии

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

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

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

Рынок

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

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

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

Источник

Adblock
detector