Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Графеновый аккумулятор — это инновационное решение для хранения энергии, основанное на уникальных свойствах графена, который отличается высокой проводимостью, легкостью и прочностью. В условиях растущей потребности в эффективных и долговечных источниках энергии графеновые батареи могут стать ключевым элементом для технологий, от мобильных устройств до электромобилей. Эта статья объясняет принципы работы графеновых аккумуляторов, их преимущества по сравнению с традиционными батареями и перспективы массового производства.

Что за материал графен?

Графен — это углеводородный кристалл, в котором все атомы располагаются в виде шестиугольников, образуя единую плоскость. Он выглядит как прозрачный, тонкий углеродный лист, толщина которого составляет всего один атом. Этот материал отличается высокой прочностью и энергоёмкостью. В 2010 году российские учёные Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые получили графен искусственным способом. В настоящее время они проживают в Великобритании. В ходе своих исследований в Манчестерском университете им удалось создать графен на основе оксида кремния. Эта углеродная плёнка в миллион раз тоньше обычного листа бумаги. Учёные представили результаты измерений электрической проводимости графена, а также эффекта Холла и эффекта Шубникова-де Гааза. За свои достижения в области графена Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии в 2010 году.

Несмотря на то, что графен был получен в лабораторных условиях, учёные не исключают его естественное существование в природе. С момента его получения он стал одним из самых перспективных материалов XXI века.

Толщина графенового слоя составляет 91 пикометр, что соответствует 10-12 метра. При такой толщине плёнка способна выдерживать нагрузку в четыре килограмма.

В настоящее время исследователи по всему миру работают над созданием эффективных технологий для производства графена. Если им удастся достичь успеха, это может привести к настоящей революции в области электроники. Графен можно будет использовать для разработки полупроводниковых устройств, мониторов и аккумуляторов.

Учёные считают, что графен может стать заменой современным полупроводникам на основе редкоземельных металлов. На его основе возможно создание элементов, размеры которых будут в несколько раз меньше существующих. Кроме того, графен более доступен в природе и стоит дешевле редкоземельных металлов. Этот новый материал также обладает высокой тепловой стойкостью, что позволяет увеличить мощность микросхем.

Что касается аккумуляторов, графен также имеет значительные перспективы. Этот плоский кристалл способен накапливать гораздо больший заряд и делает это практически мгновенно. Например, стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер-часов может зарядиться всего за несколько секунд. Таким образом, графеновые аккумуляторы могут значительно ускорить распространение электромобилей по всему миру.

Графеновые аккумуляторы представляют собой инновационное решение в области хранения энергии, которое привлекает внимание экспертов благодаря своим уникальным свойствам. По сравнению с традиционными литий-ионными батареями, графеновые аккумуляторы обладают высокой проводимостью, что позволяет значительно ускорить процесс зарядки и разрядки. Это делает их особенно перспективными для использования в электромобилях и портативной электронике.

Кроме того, графеновые аккумуляторы имеют потенциал для увеличения емкости, что может привести к более длительному времени работы устройств без подзарядки. Эксперты отмечают, что благодаря своей легкости и гибкости, графен может быть интегрирован в различные формы и размеры, что открывает новые горизонты для дизайна и функциональности устройств.

Тем не менее, несмотря на многообещающие характеристики, массовое производство графеновых аккумуляторов все еще сталкивается с технологическими и экономическими вызовами. Исследования продолжаются, и многие специалисты уверены, что в ближайшие годы графеновые аккумуляторы могут стать важным шагом к более устойчивым и эффективным источникам энергии.

https://youtube.com/watch?v=Pc66yOsH1TE

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 LiCoO₂ (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO₂ 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.

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.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о графеновых аккумуляторах и их перспективах:

1. Высокая ёмкость и скорость зарядки: Графеновые аккумуляторы могут иметь значительно большую ёмкость по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Они способны заряжаться в несколько раз быстрее, что позволяет, например, зарядить смартфон всего за несколько минут. Это связано с уникальной структурой графена, которая обеспечивает более эффективное движение ионов.

2. Долговечность и устойчивость: Графеновые аккумуляторы обладают высокой устойчивостью к циклам зарядки и разрядки, что может значительно увеличить срок службы устройства. Исследования показывают, что такие аккумуляторы могут выдерживать тысячи циклов без значительного ухудшения производительности, в отличие от литий-ионных, которые теряют ёмкость после нескольких сотен циклов.

3. Экологичность и безопасность: Графеновые аккумуляторы могут быть более экологически чистыми, чем традиционные батареи, так как графен можно производить из углерода, который является распространённым и доступным материалом. Кроме того, графеновые аккумуляторы менее подвержены риску перегрева и взрывов, что делает их более безопасными для использования в различных устройствах, включая электромобили и портативную электронику.

Эти факты подчеркивают потенциал графеновых аккумуляторов в будущем, особенно в контексте растущего спроса на более эффективные и безопасные источники энергии.

https://youtube.com/watch?v=IIZPglJ0jXc

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь давайте рассмотрим, как продвигается разработка графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Компания Graphenano из Испании является одним из ведущих производителей графена в промышленных масштабах. Инженеры Graphenano совместно со специалистами университета Кордовы несколько лет назад создали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось разработать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70─80%.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор способен обеспечить электромобилю пробег до тысячи километров и полностью заряжается всего за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в два раза меньше, чем литий-ионная батарея с сопоставимыми характеристиками.

В 2015 году Graphenano открыла в Испании крупный завод (площадь 7 тыс. кв. м.) по производству графеновых аккумуляторов. Он расположен в городе Екла (исп. Yecla). Создание завода осуществлялось при участии специалистов компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На производственных мощностях завода установлено 20 сборочных линий, которые могут выпускать 80 миллионов ячеек.

Первые серийные образцы этих графен-полимерных аккумуляторов планировалось начать производить в 2017 году, однако на данный момент информации о них нет.

По словам руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут безопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, использованный в их производстве, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые немецкие автопроизводители уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США исследователи из Северо-западного университета под руководством профессора Гарольда Кунга занимаются разработкой графеновых аккумуляторов. Они сосредоточены на увеличении ёмкости графеновых батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих аккумуляторов схож с литий-полимерными, их ёмкость зависит от количества ионов, которые могут помещаться в кристаллическую решётку катода или анода. Скорость зарядки, в свою очередь, зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы повысить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи внедрили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость зарядки увеличили, создав отверстия (размером от 10 до 20 нанометров) в графеновых пластинах, что значительно ускорило движение ионов лития.

В Австралии разработкой графеновых аккумуляторов занимаются учёные университета Monash. Одной из проблем графена является его стабильность, так как этот материал стремится перейти в обычный графит, теряя свои уникальные свойства. Австралийские исследователи решили эту задачу, превратив графеновые пластины в водяной гель. Они утверждают, что если создать аккумулятор на основе этого геля, его зарядка займёт всего несколько секунд.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор, что предотвращает слипание пластин и сохраняет графен в стабильном состоянии, позволяя использовать его для создания различных конструкций. Гель состоит из воды и углерода, он недорог в производстве и значительно превосходит литий-ионные аккумуляторы по способности накапливать электрический заряд. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийные образцы пока ещё не выпущены.

В России основное направление разработки графеновых аккумуляторов сосредоточено на использовании графена и магния вместо лития. Российские исследователи выделяют применение графеновых аккумуляторов в автомобилестроении и альтернативной энергетике (ветряной и солнечной). Одной из компаний, занимающихся разработкой графеновых АКБ, является «Конгран», которая планирует создать аккумуляторы, превосходящие современные батареи по мощности в десять раз, при этом их стоимость будет ниже.

Российские специалисты предлагают использовать гипероксидированный графен в качестве катода и магний в качестве анода. Принцип работы аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерных для всех типов аккумуляторов. Магний был выбран не случайно: его стоимость примерно в 20 раз ниже, чем у лития, и он лишён некоторых недостатков лития. Например, литий активно реагирует с водой на воздухе и его сложно утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом обладает большей энергетической ёмкостью. Технология добычи магния схожа с получением алюминия, этот металл также содержится в глинах.

Однако магний имеет и свои недостатки по сравнению с литиевыми графеновыми аккумуляторами. Одной из серьёзных проблем остаётся выбор электролита, в котором будут перемещаться ионы между анодом и катодом. На данный момент неизвестно, завершены ли эти работы.

В любом случае, графеновые аккумуляторы рассматриваются как перспективное направление в разных странах мира, и в ближайшее время должны появиться серийные образцы этих АКБ. Если они будут соответствовать заявленным характеристикам, электромобили смогут значительно потеснить автомобили с двигателями внутреннего сгорания на дорогах. Это приведёт к улучшению экологии в мегаполисах и снижению потребления углеводородов. Кроме того, графеновые аккумуляторы могут повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций. Со временем возможно увеличение запаса энергии аккумуляторов для гаджетов и уменьшение их размеров.

Преимущества и недостатки графеновых аккумуляторов

Графеновые аккумуляторы представляют собой одну из самых перспективных технологий в области хранения энергии. Они основаны на использовании графена — однослойной структуры углерода, обладающей уникальными физическими и химическими свойствами. Рассмотрим подробнее их преимущества и недостатки.

Преимущества графеновых аккумуляторов:

• Высокая проводимость: Графен обладает выдающейся электрической проводимостью, что позволяет значительно увеличить скорость зарядки и разрядки аккумуляторов. Это делает графеновые аккумуляторы идеальными для применения в устройствах, требующих быстрой подзарядки.
• Долговечность: Графеновые аккумуляторы имеют значительно больший срок службы по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Они могут выдерживать большее количество циклов зарядки и разрядки без потери емкости, что делает их более экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
• Легкость и компактность: Графеновые аккумуляторы легче и компактнее своих аналогов, что позволяет создавать более легкие и тонкие устройства. Это особенно важно для мобильных технологий и носимой электроники.
• Экологичность: Графеновые аккумуляторы могут быть более экологически чистыми, так как графен можно получать из углеродных материалов, а также они могут быть переработаны с меньшими затратами на утилизацию.
• Высокая емкость: Графеновые аккумуляторы способны хранить больше энергии на единицу объема или массы, что делает их более эффективными для использования в электромобилях и других устройствах, требующих высокой плотности энергии.

Недостатки графеновых аккумуляторов:

• Высокая стоимость: На данный момент производство графеновых аккумуляторов остается дорогим процессом, что ограничивает их массовое применение. Исследования и разработки в этой области продолжаются, но пока стоимость остается значительным барьером.
• Технологические сложности: Производство графена и интеграция его в аккумуляторы требуют высоких технологий и специализированного оборудования, что может быть сложно для многих производителей.
• Недостаточная зрелость технологии: Хотя графеновые аккумуляторы демонстрируют многообещающие результаты в лабораторных условиях, их коммерческое применение все еще находится на ранних стадиях развития. Необходимы дополнительные исследования для оптимизации их характеристик и повышения надежности.
• Проблемы с масштабированием: Масштабирование производства графеновых аккумуляторов для удовлетворения потребностей рынка может стать серьезной проблемой. Необходимы новые методы и технологии для эффективного производства в больших объемах.

Таким образом, графеновые аккумуляторы обладают множеством преимуществ, которые делают их привлекательными для будущего хранения энергии. Однако, несмотря на их потенциал, существуют и значительные вызовы, которые необходимо преодолеть для их успешного внедрения в массовое производство.

https://youtube.com/watch?v=FYtY1J8tpgQ

Вопрос-ответ

Какой аккумулятор лучше, литиевый или графеновый?

Графен будет держать заряд дольше, если вы не используете батарею постоянно. Поэтому вам не придется беспокоиться о регулярной подзарядке, когда она не используется. И наоборот, неактивные литиевые батареи разряжаются быстрее.

Что за графеновые аккумуляторы?

Графеновые батареи — это, как правило, усовершенствованные литий-ионные аккумуляторы, где один или оба электрода частично или полностью содержат графен.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основы графена и его свойств. Понимание того, что такое графен и почему он так уникален, поможет вам лучше оценить потенциал графеновых аккумуляторов и их преимущества по сравнению с традиционными технологиями.

СОВЕТ №2

Следите за новостями и исследованиями в области графеновых технологий. Научные исследования и разработки в этой области быстро развиваются, и новые открытия могут существенно изменить рынок аккумуляторов в ближайшие годы.

СОВЕТ №3

Обратите внимание на производителей, которые активно работают над графеновыми аккумуляторами. Изучите их продукты и технологии, чтобы быть в курсе последних достижений и оценить, какие из них могут стать доступными для потребителей в ближайшем будущем.

СОВЕТ №4

Рассмотрите возможность использования альтернативных источников энергии и технологий хранения. Графеновые аккумуляторы могут стать частью более широкой экосистемы, включающей солнечные панели и другие возобновляемые источники энергии, что может повысить вашу энергетическую независимость.