Что такое графеновый аккумулятор и его использование

Что такое графеновый аккумулятор и его использование

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.

Посмотрите интересное видео про самодельный графеновый аккумулятор.

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:

  • Вода.
  • Углерод.

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. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, однако серийных образцов до сих пор нет.

В России разработка графеновых аккумуляторов связана с использованием магния, который должен заменить литий. Российские ученые считают приоритетным направлением применение графеновых изделий в автомобилестроении, ветряной или солнечной энергетике.

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.

Перспективы графена

Массовая эксплуатация изделий из такого материала приведет к созданию новых отраслей промышленности, откроет огромные перспективы для научных разработок. Такие изделия можно будет использовать на производстве, а также для хозяйственных целей. Крупное производство такого энергоносителя, позволит создать:

  • Производственные линии, изготавливающие этот новый материал.
  • Новые электромобили.
  • Специальные электрозаправки.
  • Открытие электростанций.
  • Компактные ЭВМ.
  • Улучшить экологическую составляющую автотранспорта.

Заключение

Сегодня можно смело утверждать, что за графеновыми аккумуляторами стоит большое будущее. Это наиболее перспективное направление, которым занимаются крупные мировые державы. Очень скоро мир увидит серийные образцы таких АКБ. Характеристики этих новейших систем позволят электромобилям серьезно потеснить автомобили, оборудованные ДВС.

В мегаполисах улучшится экология, воздух станет чище, исчезнут вредные выхлопы, уменьшится использование углеводородов. Автомобилестроение получит новый толчок, ведь придется поменять всю технологию изготовления автотранспорта, станут намного эффективнее солнечные электростанции.

В ближайшем будущем, ученые смогут создать устройства, основой которого будет графен. Эти системы будут отличаться маленькими габаритами, огромным запасом энергии, для установки в гаджеты и мобильные телефоны.

Видео на тему графеновых аккумуляторов


Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.