Особенности графеновых аккумуляторов для электромобилей

Содержание
  1. Что такое графен
  2. Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов
  3. Преимущества и недостатки
  4. Устройство АКБ на основе графена
  5. Технические характеристики и особенности
  6. Достоинства и недостатки графеновых технологий
  7. Графеновые батареи vs литий-ионные
  8. Особенности магний-графенового аккумулятора
  9. Принцип работы
  10. Чем они отличаются от традиционных батарей?
  11. 12 новых характеристик графеновых батарей
  12. Как осуществляется производство
  13. Графеновый аккумулятор своими руками
  14. Графен также имеет ограничения
  15. Сильные и слабые стороны
  16. Финансовые проблемы реализации научных достижений
  17. Не революция, а эволюция
  18. Ёмкость аккумуляторов
  19. Скорость зарядки
  20. Чувствительность к температуре
  21. Продление срока службы
  22. Последние исследования
  23. Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов
  24. Текущая разработка графеновых АКБ
  25. Почему не делают «чисто графеновые» батареи

Что такое графен

Во-первых, нужно понять, что за база, то есть база, используемая в случае с графеновыми батареями.

Графеновые аккумуляторы, как и литиевые, тяговые, а не стартерные, как в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания.

Графен — довольно интересный и инновационный материал. Благодаря ему производительность силовых элементов электромобилей потенциально увеличится с нескольких сотен до тысячи километров, пройденных без подзарядки.

Графен представляет собой кристалл углеводорода. Его атомы расположены в одной плоскости. Толщина листа бесцветного материала равна толщине одного атома. Графен характеризуется повышенной энергоемкостью и прочностью.

Массовому появлению графена человечество обязано двум специалистам. Это Гейм и Новоселов. Именно они совместно получили этот материал искусственным путем. В качестве подложки использовался оксид кремния.

В результате вещество можно охарактеризовать как углеродную пленку. Толщина составляет примерно одну миллионную толщины листа бумаги.

В настоящее время ряд компаний и специалистов работают над тем, чтобы иметь возможность производить рассматриваемый высокотехнологичный материал в больших объемах. Если этого удастся добиться, это можно будет считать большим шагом к революции в мире электроники.

Графен потенциально может быть использован для изготовления аккумуляторов, компьютерных экранов, полупроводниковых устройств и многого другого.

Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов

Если говорить о промышленных масштабах, то этот материал разрабатывает испанская компания Graphenano. Его инженерам удалось создать графеновую батарею, которая стоит на 70% дешевле, чем у других производителей. Тестирование новой батареи показало увеличение пробега электромобиля до 1000 км. Его полная зарядка происходит в течение 7 минут. Вес такой батареи намного меньше массы литий-ионного аналога с аналогичными характеристиками.

В 2015 году Графенано основал в Испании крупную компанию по производству графеновых аккумуляторов. На открытии присутствовали инженеры компании Grabat Energy, а также исследователи из Университета Кордовы. Мощность завода позволяет производить 80 млн клеток в год. Выпуск новых графено-полимерных аккумуляторов ожидался в начале 2021 года. Однако продукцию, произведенную на этой компании, пока никто не видел.

Руководство Graphenano утверждает, что новые графеновые аккумуляторы для электромобилей будут пожаробезопасными, полностью защищенными от возникновения коротких замыканий. Специальный полимерный материал, необходимый для изготовления устройства, разработали немецкие исследователи из института TUV совместно с исследователями из испанского университета Декра.

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

США также принимали участие в производстве таких продуктов. Основная работа заключалась в увеличении емкости аккумулятора, достижении быстрой зарядки. Принцип работы таких аккумуляторов аналогичен литиевым изделиям. Емкость аккумулятора в зависимости от количества ионов в анодной (катодной) кристаллической решетке).

Активность движения таких ионов оказывает серьезное влияние на скорость зарядки. Для достижения большей емкости исследователи установили между слоями графена специальные кремниевые кластеры. Чтобы скорость зарядки была намного выше, в пластинах материала были проделаны отверстия размером 15-20 нанометров. Они способствовали ускорению движения ионов лития

Исследователи австралийского университета Монаша при разработке графеновой батареи пытались добиться стабильного состояния батареи. Дело в том, что этот материал постоянно пытается превратиться в обычный графит. Если это произойдет, уникальные свойства полностью исчезнут. Австралийским ученым удалось решить эту проблему. Они превратили листы графена в водянистый гель. По их мнению, если батарея будет состоять из такого геля, батарея будет заряжаться в течение нескольких секунд.

Исследователи Университета Монаша решили поместить этот материал в раствор гелия. В результате плиты перестали слипаться, и стало поддерживаться стабильное состояние вещества. Такие изменения позволили использовать материал для создания других конструкций. Для производства гелия использовались два компонента:

  • Вода.
  • Углерод.

Производство раствора гелия не требует больших финансовых затрат. Аккумулятор на основе такого решения отличается сильным электрическим зарядом, который на порядок превосходит литий-ионные аккумуляторы. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, но серийных испытаний пока нет.

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

Занимается разработкой новейших аккумуляторов для электромобилей в России. Инженеры пытаются создать устройство, мощность которого намного превзойдет все имеющиеся современные аналоги. При этом стоимость таких устройств будет намного дешевле.

Российские ученые предложили установить катод из переокисленного графена. Анод должен состоять исключительно из чистого магния. Все аккумуляторы работают по одному принципу. В них протекает реакция окисления вещества и дальнейшего его восстановления.

Магний идеально подходит для проведения такой реакции. Стоит намного меньше лития. Это вещество не имеет недостатков, характерных для лития. Например, на воздухе литий вступает в мощную реакцию с водой, его очень трудно утилизировать. Магниевый анод придает такой батарее большую энергоемкость. Технологический процесс извлечения магния аналогичен производству алюминия. Магний часто содержится в глине.

Преимущества и недостатки

В список основных преимуществ входят:

  • экологическая чистота.
  • Большая удельная мощность.
  • Высокая проводимость.
  • Быстрая зарядка.
  • Техническая долговечность.

Единственным недостатком аккумулятора является то, что изделие имеет значительные размеры. Из-за этого в настоящее время невозможно имплантировать их в миниатюрные гаджеты (например, телефоны.

Устройство АКБ на основе графена

Теперь стоит рассмотреть особенности конструкции графеновых аккумуляторов для электромобилей, поскольку такие источники питания можно использовать в этой области.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Интересно, что принцип работы ничем не отличается от того, как работают обычные свинцово-кислотные аккумуляторы. Здесь также происходят аналогичные электрохимические процессы. Но конечно реакции внутри батареи совсем другие.

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

Рассматриваемый тип аккумуляторов можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами, так как они во многом схожи. Уже существует несколько технологий, позволяющих делать графено-полимерные источники питания:

  1. Одна из технологий предполагает чередование листов графена и кремния, которые используются в качестве катодов. В этом случае в качестве анода используется кобальтат лития.
  2. Другая технология предполагает, что вместо кобальтата используется более дешевый оксид магния, а катод останется прежним. Судя по затратам, комбинация магния и графена для изготовления батареи будет стоить значительно дешевле по сравнению с аналогичным вариантом, в котором используется литий. Аккумуляторы магний-графен представляют большой интерес для производителей автомобилей. Ведь потенциально при установке таких аккумуляторов на электромобиль можно увеличить пробег автомобиля до 1000 километров без остановки на подзарядку. Полная зарядка займет ок. 10 минут. Правда, для работы с графеновыми аккумуляторами потребуются специальные зарядные устройства, которыми планируется оснастить заправочные станции.

Многие эксперты уверены, что именно за счет увеличения автономного пробега можно будет привлечь повышенное внимание к электромобилям и, наконец, начать плавный переход с двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели.

Литий используется для изготовления графеновых батарей. Но это не самый распространенный и часто встречающийся природный материал. Его запасов объективно недостаточно для покрытия спроса со стороны автопроизводителей. Поэтому инженеры активно работают над созданием устройств, способных заменить литий магнием.

Пока сложно предсказать, какие свойства графеновые аккумуляторы могут обеспечить на практике при оснащении электромобилей. Но эксперты не сомневаются, что будущее за графеном.

Технические характеристики и особенности

В батареях обычные материалы значительно улучшены за счет использования графена. Магниево-графеновая батарея может быть легкой, прочной и подходящей для хранения энергии большой емкости, а также сокращать время зарядки. Он увеличивает проводимость, не требуя количества углерода, используемого в обычных батареях.

Графен может улучшить свойства батареи, такие как плотность энергии и форма, несколькими способами. Литий-ионные батареи (и другие типы перезаряжаемых батарей) можно улучшить, включив графен в анод батареи и используя проводимость материала для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Важно! Проводимость аккумуляторов на основе графена намного выше по сравнению с другими полупроводниковыми материалами.

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

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

Достоинства и недостатки графеновых технологий

Рассмотрим преимущества и недостатки графеновых аккумуляторов. Есть еще много преимуществ:

  • при тех же характеристиках весят меньше литий-ионных аккумуляторов;
  • отличается лучшей проводимостью;
  • они прочнее и полностью водонепроницаемы;
  • имеют повышенную удельную емкость;
  • экологически чистый и безопасный;
  • иметь хорошие навыки обслуживания;
  • компоненты таких аккумуляторов достаточно дешевы.

Основной недостаток – высокая стоимость конечного устройства из-за сложной технологии удержания плоской конструкции. Кроме того, количество циклов заряда-разряда в настоящее время недостаточно велико.

Но в любом случае такие аккумуляторы имеют отличные перспективы в автомобильной промышленности: по сравнению с лучшими литиевыми батареями графеновые аккумуляторы могут утроить свою автономность — до тысячи километров без подзарядки, а процесс восстановления емкости занимает около 10 минут. Основная проблема в том, что для этого нужна специальная, очень мощная заправочная станция.

Графеновые батареи vs литий-ионные

В графеновых батареях, как и в их литий-ионных аналогах, используются две токопроводящие пластины, покрытые пористым материалом и погруженные в раствор электролита. Несмотря на схожесть внутреннего устройства, оба типа аккумуляторов имеют разные характеристики.

Графен проводит электричество более эффективно, чем ионы лития. Такой аккумулятор способен получать большой ток. Эта функция играет важную роль в производстве мощных автомобильных аккумуляторов, а также в технологии обратной зарядки, когда один гаджет обеспечивает питание другого без проводов. Высокая теплопроводность означает, что аккумулятор меньше нагревается и, следовательно, менее подвержен износу даже в тесных чехлах телефона.

Графеновые батареи могут быть легче и тоньше, чем литий-ионные. Это открывает перед инженерами одновременно две разные возможности — создавать небольшие сверхтонкие гаджеты или устанавливать в электронику аккумуляторы повышенной емкости без изменения существующих габаритов устройства. Для сравнения: литий-ионный аккумулятор накапливает до 180 Втч/кг энергии, а графеновый до 1000 Втч/кг, т.е в 5,5 раза больше.

Наконец, графеновая батарея безопаснее. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы имеют достаточно хороший статус безопасности, история знает несколько крупных инцидентов, связанных с неисправностями или некорректной работой. Перегрев, перезарядка и повреждение шкафа могут привести к химическому дисбалансу, что, в свою очередь, приведет к возгоранию. Граф намного стабильнее, поэтому перечисленные проблемы ему угрожают в меньшей степени.

Литий-ионные аккумуляторы служили человечеству десятилетиями, и следует отметить, что они не исчезнут в одночасье с переходом от производителей к графену. Соединения графена можно использовать для улучшения характеристик катодного проводника в литий-ионных батареях. Гибридные аккумуляторы также имеют привлекательные характеристики: они легче, быстрее заряжаются, служат дольше и сохраняют больше энергии. Поэтому первые потребительские аккумуляторы с графеном, скорее всего, будут гибридными.

Особенности магний-графенового аккумулятора

Магниевые батареи были разработаны в 2017 году исследователями и инженерами из Испании. Графеновые батареи, в которых в качестве электролита используется магний, отличаются чрезвычайно высокой скоростью зарядки и емкостью. По сути, это аккумуляторы нового поколения. Стоимость относительно литий-ионных аналогов снизилась на 77%. Вес также уменьшился на 50%. Благодаря высокой подвижности ионов время зарядки аккумулятора составляет 8 минут. Максимальной емкости аккумулятора хватает на 1000 километров пробега на электромобиле.

После испытаний немецкими автомобильными компаниями было принято решение использовать его в промышленности. Хотя электромобиль без использования ископаемого топлива не может достичь скорости традиционных бензиновых или дизельных автомобилей, стоимость электроэнергии и обслуживания намного ниже. Благодаря этому электромобили становятся перспективной разработкой.

Важно! По сравнению с серийными автомобилями с литий-ионными аккумуляторами, требующими подзарядки, графеновые аккумуляторы заряжаются намного быстрее и обеспечивают запас хода примерно в 3 раза дольше.

Принцип работы

Затем немного о том, как это работает и на чем основана графеновая батарея.

По сути, принцип работы рассматриваемого графенового источника тока практически ничем не отличается от классического свинцово-кислотного аккумулятора. Разница лишь в электрохимических процессах, протекающих внутри корпуса. Здесь их можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами.

Машина с графеновой батареей

Чтобы лучше понять принцип работы разработанной графеновой батареи, стоит выделить 2 основные технологии.

  1. Американская технология. Здесь кобальтат лития и листы кремния и графена, чередующиеся друг с другом, используются в качестве источников результирующей реакции, обеспечивающей образование заряда.
  2. Русская техника. Это аналог в виде магниево-графенового аккумулятора. Здесь вместо соли лития используется оксид магния.

Преимущество российской разработки в том, что оксид магния более доступен, чем литий, и в то же время является менее токсичным компонентом.

Графен характеризуется высокой электрической проницаемостью и склонен к накоплению электрических зарядов. Эти особенности позволяют добиться увеличения скорости движения ионов за счет графена, тем самым увеличивая потенциальную мощность источника тока.

Изначально, когда технология только развивалась, в графеновые листы добавляли литий. Но при контакте с водой происходила бурная реакция, шли окислительные процессы, поэтому реализовать схему не удалось.

Когда литий вступает в контакт с водой вне герметичного корпуса, он вызывает сильный взрыв. Ставить такие аккумуляторы на автомобиль очень опасно, так как при повреждении аккумулятор может выступить причиной возгорания.

Также литий-графеновые аккумуляторы, как показали испытания, нуждаются в длительной зарядке. И это точно не подходит для электромобилей.

Все это привело разработчиков к переходу на магниево-графеновые модификации.

Чем они отличаются от традиционных батарей?

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

Основное различие заключается в компонентах одного или обоих электродов. В обычной батарее катод (положительный электрод) сделан полностью из твердых материалов. Но в графеновой батарее катод состоит из гибридного компонента, содержащего графен и твердый металлический материал.

Количество графена, используемого в электроде, варьируется в зависимости от эффективности твердого материала и требований к производительности. Кроме того, графен в качестве анода обеспечивает высокую емкость и превосходные характеристики.

12 новых характеристик графеновых батарей

Скоро можно будет создавать накопители энергии нового поколения из графена с необычными свойствами, невозможными при нынешних технологиях.

1. Суперконденсаторы с линейной фильтрацией переменного тока

Электрический двухслойный конденсатор на основе вертикально ориентированных листов графена может заряжаться/разряжаться очень быстро (менее миллисекунды). Десятки материалов были протестированы для фильтрации линии переменного тока, в том числе оксид графена, покрытие графен-УНТ (углеродные нанотрубки) и графеновые квантовые точки.

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

2. Гибкое хранение энергии

Существующие аккумуляторы и суперконденсаторы жесткие, поэтому их сгибание может привести к утечке электролита и повреждению элементов. Однако графен с его двумерной структурой толщиной в один атом можно деформировать в направлении, нормальном к поверхности, не вызывая повреждений.

Помимо присущей ему механической гибкости, его феноменальные электрические свойства и большая площадь поверхности делают графен многообещающим материалом для гибких аккумуляторов.

3. Расширяемые батареи и суперконденсаторы

Расширяемые устройства накопления энергии могут быть изготовлены за счет использования структурной расширяемости электродов из микрочастиц из композита графен-УНТ/активный материал и физически сшитого гелевого электролита.

Активные материалы, соединенные с помощью перепутанных углеродных нанотрубок и листов графена, образуют механически стабильный каркас из пористых сетей, а выступающий внутрь каркас в сотовой структуре допускает 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, могут заряжаться и разряжаться намного быстрее.

Например, литий-ионный аккумулятор с наноразмерным катодом LiFePO 4 и анодом Li 4 Ti 5 O 12 на гибком пенопласте графена можно полностью зарядить всего за 18 секунд. Чистый графен также может использоваться на аноде для увеличения емкости и сверхбыстрой скорости заряда/разряда.

5. Портативные аккумуляторы

Недавние достижения в области коаксиальных электродов и электродов с сердечником и оболочкой позволили объединить электродный материал и токосъемники в единую пряжу, которую можно вплетать или вязать непосредственно в ткань.

Графен можно эффективно собирать в многофункциональные микроволокна и вплетать в ткани. Графеновое ядро ​​и микроволокно оболочки уже использовались для демонстрации гибких и растяжимых суперконденсаторов (с высокой поверхностной емкостью), которые можно встраивать в текстиль с использованием традиционных методов ткачества.

6. Ультратонкие пантографы 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 схемами. Поскольку эти металлы не хранят заряд, они снижают общую плотность энергии батареи. Кроме того, они подвержены коррозии, что отрицательно сказывается на внутреннем сопротивлении элемента и сроке службы батареи.

С другой стороны, графен — лучший альтернативный токосъемник. Он обладает высокой электропроводностью, низкой плотностью и может стабильно работать в экстремальных условиях эксплуатации. Графен можно легко преобразовать в пленки с рябью и морщинами на поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это еще больше снижает сопротивление клеток).

Графен легко превращается 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 аккумуляторы и суперконденсаторы

Благодаря своей высокой проводимости и приличной прозрачности (пропускание 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 батарей 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 сольватированных графеновых каркасов обладают в три раза большей емкостью, чем традиционные графитовые электроды, что обещает большую дальность действия для электромобилей и более длительное время работы носимых устройств.

Емкость и удельная мощность могут быть дополнительно улучшены путем легирования графеновых анодов азотом и бором.

9. Оксид графена как твердый электролит и сепаратор

Оксид графена является хорошим электронным изолятором. Его можно использовать как в качестве надежного твердого электролита, так и в качестве электродного сепаратора. Некоторые исследования показывают, что пленка оксида графена, действующая как твердый электролит, обладает высокой емкостью, но с незаметной диффузией ионов, как в диэлектрических конденсаторах.

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

10. Суперконденсаторы с удельной энергией батареи

Суперконденсаторы, изготовленные из пористого и плотного пенопласта графена, как правило, имеют сверхвысокую плотность энергии, сравнимую со свинцово-кислотными батареями. Эти вспененные графены изготавливаются путем создания крошечных отверстий в базисных плоскостях графена, а затем их сжатия с использованием современного гидравлического оборудования.

Основное преимущество графеновых суперконденсаторов перед традиционными заключается в том, что они работают с водными электролитами и могут быть изготовлены без сложной сборки в «сухой комнате».

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена

Мембраны из оксида графена обладают различными уникальными барьерными свойствами. В сухом состоянии эти мембраны непроницаемы для всего, кроме водяного пара. В воде они действуют как молекулярные сита, блокируя крупные ионы и облегчая перенос более мелких.

Эти особенности могут привести к разработке ионоселективных мембран следующего 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 не хранит заряд и, таким образом, снижает общую плотность энергии.

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

Как осуществляется производство

Трансформация неорганических соединений на основе графена и пригодных для использования металлов может осуществляться многими способами. По мере развития новых технологий методы часто изобретаются, а затем используются.

В любом методе всегда есть несколько способов синтеза самого материала. Описывать каждый из них было бы нецелесообразно, поэтому здесь будет рассмотрен конкретный способ.

Электрод на основе чистого графена получают путем диспергирования порошка оксида графена (100 мг) в дистиллированной воде (30 мл) и обработки ультразвуком в течение 30 минут. Полученную суспензию нагревают на плитке до температуры 100°С, затем добавляют 3 мл гидразингидрата.

Суспензию выдерживают при 98°С в течение 24 часов для восстановления оксида графена. Восстановленный оксид графена можно собрать фильтрованием, оставив черный порошок. Затем отфильтрованный порошок несколько раз промывают дистиллированной водой для уменьшения избытка гидразина.

Порошок графена повторно диспергируют в воде с помощью ультразвука, а затем полученный раствор центрифугируют при 4000 об/мин в течение 3 мин для удаления более крупных частиц. Графен собирают вакуумной фильтрацией и сушат в вакууме. В промышленных масштабах производят компании Великобритании, России, Испании, США и Южной Кореи.

Графеновый аккумулятор своими руками

Уже сейчас понятно, что создание двумерной структуры графа и фиксация его свойств — непростая задача. Ученые всего мира работают над этой проблемой. Сделать аккумулятор из графена в кустарных условиях невозможно.

Но узнав, что углеродный слой должен быть микроскопически тонким, мастера добиваются этого разными способами. Они измельчают графит в мелкий порошок, химически обрабатывают его и наносят на алюминиевую подложку. Предлагаем вам ознакомиться с одним из способов достижения нужной композиции.

Вам понадобится металлическая емкость с герметичной крышкой, с мешалкой. Смеситель работает от асинхронного двигателя без перерыва 2 дня. В контейнере графитовый порошок смешивается в пену с жидкостью Ferry. В полученной пене во взвешенном состоянии находятся микроскопические частицы графита. Высушите пену, соберите пыль, растворите ее в лаке для обработки алюминия — граф готов. Теперь состав необходимо нанести на алюминиевую подложку и собрать магниево-графеновую батарею своими руками.

Существуют способы сбора угольной пыли на липкую ленту, сжигания ее лазерным лучом для получения чешуйчатого материала, растворения графита в смеси азотной и серной кислот. Высушенный осадок сжигается в установке и превращается в легкие хлопья. Считайте этот тип сажи графеном и работайте с ним.

Графен также имеет ограничения

Основная способность графена в том, что это сверхпроводник, который почти не нагревается, что он сделан из очень распространенного в земле элемента и поэтому не требует больших вложений в сырье. Плохая новость заключается в том, что создание таких слоев толщиной в один атом является проблемой для производителей, как для достижения этой цели, так и для технологии, необходимой для их производства.

Кроме того, препятствием является то, что в настоящее время нет возможности использовать графеновые батареи сами по себе, а только в сочетании с существующими «улучшенными» литиевыми батареями.

При всем при этом крупные производители считают, что время еще не пришло, потому что литиевые батареи пока продолжают оправдывать ожидания, хотя и признают, что придет время, когда их технологии будут доведены до предела, и им придется инвестировать больше ресурсы в развитии этой технологии, включающей графен. А пока они надеются найти более простой и дешевый способ их производства.

Сильные и слабые стороны

Было бы полезно взглянуть на преимущества и недостатки, характеризующие графеновые батареи и возможности их развития.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Есть много сильных сторон. Среди них следующие:

  • исходный материал доступен и широко распространен;
  • графен производится в больших объемах;
  • способ получения материала достаточно прост и легок в исполнении;
  • малый вес, где 1 м² материала весит около 1 грамма;
  • экологичность и безопасность для окружающей среды;
  • высокая сила;
  • водонепроницаемый;
  • возможность быстрого восстановления поврежденных участков;
  • показатели проводимости выше, чем у любого современного полупроводника;
  • высокие показатели удельной мощности;
  • возможность проехать более 1000 км без подзарядки;
  • прочная ткань;
  • независимость от циклов заряд-разряд;
  • высокая скорость зарядки.

Проблема в плотности. Это не позволяет делать достаточно компактные рабочие образцы. Поэтому серийных вариантов малогабаритных аккумуляторов на основе графена до сих пор не существует. Но это больше о перспективах использования в мобильных устройствах.

Для автомобилей большие размеры не проблема. Поэтому стоит говорить о хороших перспективах на будущее.

Учитывая, что преимущества значительно перевешивают недостатки, следует ожидать дальнейшего развития таких аккумуляторов и быстрого внедрения графеновых аккумуляторов в электромобили.

Финансовые проблемы реализации научных достижений

Проблема с производством новых аккумуляторов заключается в том, что сейчас слишком много компаний занимаются исследованиями аккумуляторов. Проектов просто огромное количество — от «пенящихся» и жидкостных аккумуляторов до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И среди всех этих компаний нет явного лидера. Эта ситуация не вызывает особого энтузиазма у инвесторов, которые не так охотно вкладывают деньги в новые проекты.

А для этого нужны большие деньги. «Для создания небольшой промышленной линии по производству аккумуляторов, изготовленных по новой технологии, требуется около 500 млн долларов. И даже если будет создан перспективный аккумулятор, перевести научную работу в коммерческую сферу не так-то просто устройства или производители электромобилей будут тестировать новые аккумуляторы годами, прежде чем принять решение.Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной.Ученые говорят, что трудно наладить промышленную линию в 500 миллионов долларов , особенно если годовой бюджет 5 миллионов долларов.

И даже если новая технология выйдет на рынок, производителям аккумуляторов нового типа предстоит пройти непростой период адаптации и поиска покупателей. Но пока никто не достиг этой стадии. Таким образом, на рынок не вышли компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, достаточно перспективные технологии. У них просто не было достаточно денег, чтобы сделать это. Еще два перспективных «энергетических» стартапа Seeo и Sakti3 были куплены другими компаниями. Причем суммы по этим двум сделкам оказались гораздо ниже, чем рассчитывали первые инвесторы в компании.

Крупнейшие производители электроники Samsung, LG и Panasonic больше заинтересованы в улучшении своих текущих продуктов и увеличении количества функций, чем в получении новых типов аккумуляторов. Поэтому процесс оптимизации Li-Ion аккумуляторов, созданный в 70-х годах прошлого века, пока продолжается. Остается надеяться, что графеновые батареи все-таки смогут разорвать порочный круг.

Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с выдающейся обратимой циклической стабильностью в течение 3000 циклов обратимого заряда и разряда даже в режимах очень сильного тока до 1280 миллиампер.

Не революция, а эволюция

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

Ёмкость аккумуляторов

Кажется, что увеличения емкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли хранить около 100 Вт·ч/кг, после 20 лет постепенного развития это значение удвоилось. В настоящее время литиевые батареи могут хранить 200–240 Втч/кг. По мнению исследователей, они смогут увеличить энергоемкость до 400 Вт т/кг. И, вполне возможно, именно график поможет приблизить эту цифру к реальности.

Скорость зарядки

Это еще один важный параметр, который уже улучшается с помощью графена. Поскольку графен имеет низкое сопротивление и является отличным проводником электричества, компоненты с добавлением графена работают медленнее. Кроме того, графен также является хорошим проводником тепла, поэтому тепло от компонентов батареи распространяется лучше.

В последние годы мы наблюдаем быстрое развитие технологии быстрой зарядки. Не так давно прогремели презентации технологий быстрой зарядки мощностью 120 Вт. А недавно Xiaomi показала зарядное устройство на 200 Вт, которое заряжает батарею Mi 11 Pro емкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, батарея этого Mi 11 Pro не обошлась без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.

Чувствительность к температуре

Что пока существенно не улучшилось, так это чувствительность аккумуляторов к перепадам температуры и количеству циклов заряда-разряда. Пока даже живительный графен мало чем может помочь в этих вопросах. Точнее, графен помогает частично нейтрализовать негативное влияние перегрева, но не может бороться с низкими температурами.

Продление срока службы

Когда дело доходит до увеличения количества циклов заряда-разряда, на помощь приходит еще один компонент — кремний. Он позволяет увеличить срок службы литиевых аккумуляторов до 300%, но побочным эффектом кремния является увеличение размеров аккумуляторов. В результате кремниевые аккумуляторы будут либо иметь такую ​​же емкость, как сейчас, но физически в несколько раз больше, либо мы сможем создать компактный и долговечный аккумулятор, который будет иметь небольшую емкость.

Последние исследования

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

Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен/кремний

Исследователи создали оптимизированный композит регенерированного оксида графена/кремния, используя простой метод самосборки. Графен равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя трехмерную сеть (за счет усиленного межмолекулярного взаимодействия и увеличения удельной поверхности).

Его можно использовать в качестве стабильного пограничного слоя твердого электролита, который увеличивает как электропроводность, так и структурную стабильность.

Многослойные графеновые пленки для емкостного накопления энергии

В 2020 году исследовательская группа разработала независимый многослойный электрод из графеновой пленки с высокоэффективным использованием пор. Пористость легко регулировать, регулируя расстояние между слоями пленки. Поскольку поры используются оптимально, объемная емкость максимизируется.

Этот тип суперконденсатора 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.

Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов

В батареях традиционные (и многообещающие) материалы электродов батарей значительно улучшены за счет добавления графена. Графеновая батарея может быть легкой, прочной и подходящей для хранения энергии большой емкости, а также сокращать время зарядки. Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, отложенным на материале или добавленным к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, используемого в обычных батареях.

Графен может улучшить свойства батареи, такие как плотность энергии и форма, несколькими способами. Таким образом, литий-ионные батареи (и другие типы батарей) можно улучшить, введя графен в анод батареи и используя проводимость материала и высокие свойства поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества аккумуляторов. Например, гибрид оксида ванадия (VO2) и графенового катализа может использоваться на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую долговечность в цикле зарядки. В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электропроводностью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», к которой можно прикрепить VO2, создавая гибридный материал, обладающий как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.

Исследователи ищут новые типы активных электродных материалов, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для более крупных устройств. Наноструктурированные материалы литий-ионных аккумуляторов могут стать хорошим решением. По последним данным, исследователи из Венского университета и международные исследователи разработали новый наноструктурированный анодный материал для литий-ионных аккумуляторов, который увеличивает емкость и срок службы аккумуляторов.

Утверждается, что двухмерный/трехмерный нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя исследователями и их командой, значительно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные автомобили. Новый материал электрода обеспечивает значительно улучшенную удельную емкость с выдающейся обратимой циклической стабильностью в течение 3000 циклов обратимого заряда и разряда даже при очень высоких токах до 1280 миллиампер. Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность примерно через 1000 циклов зарядки.

Блок графеновой батареи. Расщепленный кристалл имеет тенденцию снова становиться громоздким. Ученым удается сдержать двумерную структуру и заставить ее работать в виде гальванического элемента. Стабильность зависит от выбранной электронной пары. Устройство напоминает литий-ионный аккумулятор, но вместо графитового слоя введен графен. Российские ученые заменили анод оксидом магния. Состав дешевле, батарея меньше нагревается и снижается риск возгорания.

Текущая разработка графеновых АКБ

Многие рассчитывают, что электромобиль, то есть электромобиль, скоро сможет преодолевать расстояние более 800-1000 километров, не требуя остановки для подзарядки.

Сейчас запущено производство графена в солидных промышленных масштабах. Основным игроком является компания Graphenano, базирующаяся в Испании. Более того, испанские инженеры уже протестировали аккумуляторы на основе графена, цена которых на 70% ниже по сравнению с аналогами других компаний. Путем испытаний было доказано, что электромобиль может проехать на нем до 1000 км. И для полной зарядки требуется всего 7 минут.

При этом вес графеновой батареи меньше, чем у литий-ионного источника питания с аналогичными характеристиками.

Еще в 2015 году испанская компания организовала крупное предприятие, основной задачей которого стало производство таких аккумуляторов. Имеющиеся мощности позволяют производить около 80 млн рабочих ячеек в год. Официальная презентация новинки в виде графеновых аккумуляторов была запланирована на 2017 год. Но пока результата работы испанских специалистов никто не видел.

США также активно работают в этом направлении. Здесь стоит выделить компанию Real Graphene, недавно представившую первую графеновую батарею для мобильных гаджетов.

В Австралии специалисты Университета Монаш являются ведущими разработчиками графеновой технологии. Они работали над вопросом стабильности батареи, так как графен постоянно пытается вернуться в исходное состояние, то есть превратиться в графит.

Эта проблема была решена путем превращения листов графена в гель.

Это позволило избавиться от фиксации пластин, плюс ткань находится в постоянно стабильном состоянии. Эта разработка открывает возможности для использования гелеобразного графена в других отраслях. При этом для приготовления гелевого раствора не обязательно тратить много денег и ресурсов.

Почему не делают «чисто графеновые» батареи

До сих пор нет коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах. Причиной этого является высокая стоимость и сложность получения графена. Но это не все. Главное, что графен не подходит для долговременного хранения энергии — и вот почему.

В литиевых аккумуляторах заряд накапливается за счет ионов лития, проникающих через графитовый анод. Если вместо графита для изготовления анода использовать графен, ионы лития не смогут проникнуть в графен, а будут скапливаться на поверхности. 

Саморазряд аккумулятора в этом случае будет намного заметнее. А вот концепция, когда ионы собираются на поверхности анода и слабо цепляются за него, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и легко принять и передать много энергии за короткое время. Добавив графен в электроды, можно увеличить их проводимость, даже несмотря на то, что батарея фактически остается литиевой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
NokiaGid.ru
Adblock
detector