Графен аккумулятор: Почему мы до сих пор пользуемся литий-ионными аккумуляторами вместо графеновых

Почему мы до сих пор пользуемся литий-ионными аккумуляторами вместо графеновых

Наверх

23.03.2022

Автор: Александр Пономарев

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд

Почему мы до сих пор пользуемся литий-ионными аккумуляторами вместо графеновых

3

5

1

11

Возникало ли у вас ощущение, что в современной технике прогрессирует все, кроме аккумуляторов? У смартфонов улучшаются процессоры, экраны, камеры, растет память, электрокары обрастают продвинутой электроникой и учатся ездить на автопилоте, но все эти девайсы по-прежнему черпают энергию из литий-ионных батарей.

Pixabay

 Где же обещанные графеновые аккумуляторы? Давайте разбираться.

Литий-ионные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя на рынке — уже пару десятков лет они обеспечивают энергией наши девайсы и готовых решений, которые могли бы взять и полноценно заменить их, на горизонте пока не предвидится. Неужели это венец творения и у них нет недостатков? Отнюдь.

Pixabay

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

• Недолговечность. Литий-ионные батареи теряют емкость примерно на 10-15% в год, а для смартфонов 1000 циклов разрядки/зарядки уже можно считать пределом. 
• Чувствительность к температуре. Литиевые аккумуляторы плохо переносят перепады температур — работа при слишком низких или слишком высоких температурах приводит к деградации батареи.
   

• Чувствительность к мощной зарядке. Слишком быстрая зарядка ведет к излишнему выделению тепла и может приводить к замыканию и выходу аккумулятора из строя. 
• Потенциальная опасность. Литий — редкоземельный металл, который стоит недешево, а его добыча и производство аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде.

• Илон Маск обвинил Apple в использовании 100% кобальта в батареях iPhone

Ученые считают, что решить эти проблемы — хотя бы частично — может графен. А некоторые уверяют, что потенциально он даже способен совершить настоящую революцию в устройствах для хранения энергии. Так ли это?

Pexels

Что такое графен

Графен — это углерод, такой же, как графит или алмаз. Химическая формула у них идентична, но способ соединения атомов углерода друг с другом определяет свойства материала. Атомы в графене расположены в пространстве особым образом — это лист толщиной всего в один атом, причем атомы углерода образуют в нем шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Такая структура наделяет графен неординарными свойствами. Это отличный проводник, он прочнее стали, но при этом гибкий и эластичный. 

Pixabay

Чем отличаются графеновые аккумуляторы от литий-ионных

Хотя литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию схожим образом, в конструктивных аспектах и областях применения они отличаются друг от друга — с точки зрения срока службы, безопасности и скорости передачи энергии. Главное преимущество графеновых батарей — отличная способность рассеивать тепло.

С увеличением тепловой энергии растет сопротивление проводников, что приводит к деградации аккумулятора. Поэтому ученые начали добавлять графен в литий-ионные аккумуляторы для улучшения характеристик. Такие батареи известны как гибридные — они имеют большую зарядную емкость, меньшую массу, увеличенный срок службы и уменьшенное время зарядки по сравнению с «традиционными» аккумуляторами.

Pixabay

Почему не делают «чисто графеновые» батареи

Коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах до сих пор не существует. Причиной тому является высокая стоимость и сложность получения графена. Но это еще не все. Главное, что графен не очень подходит для долгосрочного хранения энергии — и вот почему.

В литиевых аккумуляторах заряд накапливается благодаря тому, что ионы лития проникают внутрь графитового анода. Если вместо графита для изготовления анода применить графен, ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. 

• Комплектующие

  Батарея для ноутбука на AliЕxpress: покупать или нет?

Саморазряд батареи в этом случае будет гораздо более заметным. Зато концепция, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий взять и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Добавлением графена в электроды можно повысить их проводимость, хотя по сути батарея останется литиевой.

Pixabay

Что ждет литий-ионные аккумуляторы

На самом деле литиевые батареи тоже не стоят на месте, а развиваются, просто скорее эволюционно, чем революционно. Технология литий-ионных аккумуляторов еще не достигла своего предела и, вероятно, именно графен поможет еще больше раскрыть их потенциал.

По мнению ученых, он может повысить энергоемкость аккумуляторов и даже скорость зарядки. Экспериментируют с гибридными литий-ионными батареями с добавлением графена такие гиганты, как Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Nanotech и другие компании.

Pixabay

Перспективы

Аккумуляторы прогрессируют — это факт.

Но графен едва ли способен устроить настоящую революцию на рынке батарей — скорее он поможет улучшить характеристики «традиционных» элементов питания. По крайней мере, в обозримом будущем.

• Увы, но у Samsung Galaxy S22 будет крошечная батарея — 3600 мА*ч или 3700 мА*ч

Потому что несмотря на все неоспоримые достоинства графена, в настоящее время он все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения коммерциализации — прежде всего из-за чрезвычайно высокой стоимости производства. Возможно, когда-нибудь графен и станет следующей ступенью в индустрии аккумуляторов, но пока до этого далеко.

А пока советуем почитать наши обзоры телефонов с мощными батареями:

• Самый мощный кнопочный телефон с мощной батареей: битва ветеранов
• Обзор суперзащищенного смартфона Doogee S86: IP68 и батарея 8500 мАч
• Танк в мире смартфонов: обзор Fly Power Plus XXL с огромной батареей

Автор

Александр Пономарев

Редактор

Была ли статья интересна?

Поделиться ссылкой

Нажимая на кнопку «Подписаться»,
Вы даете согласие на обработку персональных данных

Рекомендуем

Обзор смартфона HONOR Magic Vs: все складывается, как надо

Система ABS в автомобиле: сокращает ли она тормозной путь?

Нейросети, доступные каждому: большой актуальный каталог

Что умеет GPT-4 и как пользоваться новым ChatGPT

Делаем аватарки с помощью нейросети: какой сервис лучше

Русские пословицы и поговорки глазами нейросети  

Обработка фото нейросетью: тестируем возможности

Как искусственный интеллект помогает врачам лечить пациентов

Боты ChatGPT в Telegram: где их найти и как пользоваться

Реклама на CHIP Контакты

Графеновый аккумулятор: Характеристики, Применение и Производство

Аккумуляторы на основе графена активно применяются в различных коммерческих целях.  Улучшение производительности и преимущество жизненного цикла при разработке батарей на основе графена по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами окупаются.

Tesla Motors Илона Маска представляет собой известный пример инновационных компаний, активно занимающихся исследованиями и коммерциализацией графеновых аккумуляторов.

Содрежание

• Что такое графеновый аккумулятор
• Как осуществляется производство
• Принцип работы и устройство
• Технические характеристики и особенности
• Преимущества и недостатки
• Где применяются графеновые аккумуляторы
• Перспективы технологии

Что такое графеновый аккумулятор

Графен – широко известен как «чудодейственный материал» благодаря множеству своих удивительных свойств, которые он содержит. Это мощный проводник электрической и тепловой энергии, чрезвычайно легкий и гибкий с большой площадью поверхности. Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений.

Интересно знать! Аккумуляторы графеновые могут уменьшить воздействие батареи на окружающую среду.

Графен – это универсальная молекула, обладающая множеством уникальных и желательных свойств, и его можно применять по-разному, поскольку не существует универсального решения для его использования.

Он используется для улучшения многих преимуществ, уже присутствующих в обычных материалах, но он также помогает преодолевать предыдущие ограничения аккумулятора, что приводит к увеличению срока службы батареи или ее производительности.

Как осуществляется производство

Преобразование неорганических соединений на основе графена и металлов пригодных для использования может быть осуществлено многими способами. По мере развития новой технологии, методы часто изобретаются и впоследствии используются.

В любом методе, всегда есть несколько способов синтезировать сам материал. Было бы нецелесообразно описывать каждый из них, поэтому здесь будет рассмотрен один конкретный способ.

Чистый электрод на основе 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 горячей плите до температуры 100 °С и затем добавляют 3 мл гидразингидрата.

Суспензию выдерживают при 98°С в течение 24 часов для восстановления оксида графена. Восстановленный оксид графена можно собирать фильтрацией, оставляя черный порошок. Отфильтрованный порошок затем несколько раз промывают дистиллированной водой, чтобы уменьшить избыток гидразина.

Порошок графена повторно диспергируют в воде с помощью ультразвука, и полученный раствор затем центрифугируют при 4000 об / мин в течение 3 минут 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.

Принцип работы и устройство

Принцип работы и устройство графеновых аккумуляторов аналогичны традиционным батареям, где для облегчения переноса ионов используются два электрода и раствор электролита.  Основное различие между аккумуляторами на основе графена и твердотельных батарей заключается в составе одного или обоих электродов.

Изменение в основном заключается в катоде, но также возможно использование углеродных аллотропов в аноде. Катод в обычной батарее состоит исключительно из твердотельных материалов, но в качестве катода в графеновой батарее используется композитный гибридный материал.

Технические характеристики и особенности

В области аккумуляторов обычные материалы значительно улучшаются при использовании графена. Магний графеновый аккумулятор может быть легким, долговечным и подходящим для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки. Он добавляет проводимость, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Литий-ионные батареи (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены за счет введения графена в анод батареи и использования проводимости материала для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Важно! Проводимость батарей на основе графена значительно выше по сравнению с остальными полупроводниковыми материалами.

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

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

Преимущества и недостатки

К списку основных преимуществ необходимо отнести:

• Экологическую чистоту.
• Большую удельную емкость.
• Высокую проводимость.
• Быструю зарядку.
• Техническую долговечность.

Единственным недостатком АКБ является то, что изделие имеет немалые размеры. В силу этого вживить их в миниатюрные гаджеты (например, телефоны) на сегодняшний день не представляется возможным.

Где применяются графеновые аккумуляторы

Аккумуляторы на основе графена имеют захватывающий потенциал, и хотя они еще не полностью доступны, исследования и разработки интенсивны. Их используют многие известные компании.

В августе 2014 года, «Тесла» предложили разработку новой технологии батареи, которая будет иметь почти в два раза больше мощности для своей модели электромобиля.

Что касается телефонов, то в ноябре 2016 года компания Huawei представила новую литий-ионную батарею с графеновым покрытием, которая может оставаться работоспособной при более высокой температуре (60° градусов по сравнению с существующим пределом 50°) и предлагает более длительное время работы.

В декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над новым проектом, который теоретически может привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде.

Перспективы технологии

По словам научных сотрудников популярных компаний, эффективность новейших аккумуляторов намного выше, чем у традиционных изделий. Кроме того, они намного быстрее восполняют энергию (за считанные минуты).

Данная технология приведет к революции в разработке электрических автомобилей, производстве смартфонов, а также портативных компьютеров и планшетов.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полезным, полным и точным.

Этот графеновый аккумулятор заряжается невероятно быстро

• Практика

Блок питания Elecjet Apollo Ultra заряжается в пять раз быстрее, чем обычные аккумуляторы

Автор: Томас Рикер / @Trixxy

39:00 UTC |

Поделитесь этой историей

Графеновый аккумулятор Elecjet Apollo Ultra заряжается в пять раз быстрее, чем обычные внешние аккумуляторы. Фото Томаса Рикера / The Verge

Обновление от 24 ноября, 09:30 по восточному времени: Первоначальная кампания Indiegogo была прекращена (все взносы возвращены) и восстановлена ​​здесь . Проблема, по словам Elecjet, возникла в результате недавнего изменения юридического обозначения компании с LLC на Corporation, что неожиданно изменило ее налоговый идентификатор и способность кампании обрабатывать платежи. К сожалению, задержка, вызванная перезапуском, означает, что Elecjet больше не может гарантировать отгрузку к Рождеству.

Новый аккумуляторный блок Apollo Ultra от Elecjet использует графен для значительного ускорения зарядки. Да, графен, этот чудо-материал, который давно обещал изменить мир, позволяет этой портативной батарее емкостью 10 000 мАч заряжаться с нуля до полного заряда менее чем за 30 минут, что примерно в пять-шесть раз быстрее, чем у обычного повербанка такой же емкости. Подключите его, когда проснетесь, и к тому времени, когда вы выйдете из дома, Apollo Ultra будет полностью заряжен.

Графен представляет собой высокопроводящую решетку углерода толщиной всего в один атом. Аккумуляторы из чистого графена все еще слишком дороги для массового производства, но материал уже может ускорить зарядные характеристики традиционных аккумуляторов при нанесении на электрод в композитной форме. Именно такой подход использует Elecjet со своей новой батареей емкостью 10 000 мАч (40 Втч), которую сегодня запускают на Indiegogo по цене 65 долларов.

В дополнение к более высокой скорости зарядки, Elecjet заявляет, что Apollo Ultra выдержит более 2500 циклов зарядки, прежде чем уровень заряда батареи упадет ниже 80 процентов. Это примерно в четыре-пять раз дольше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов, что было бы полезно как для вашего кошелька, так и для окружающей среды.

Я не могу проверить заявление о продолжительности жизни, но Elecjet прислал мне пробный образец Apollo Ultra, чтобы подтвердить улучшенную скорость зарядки.

Короче говоря, Apollo Ultra быстро заряжается — невероятно быстро, как утверждает Elecjet.

Зарядка от нуля до полной за 27 минут

Elecjet Apollo Ultra — это литий-полимерный аккумулятор, улучшенный с помощью фирменной аккумуляторной технологии Real Graphene USA. Он оснащен двумя портами USB: одним полноразмерным USB-A и одним USB-C PD 3.0. Порт USB-C поддерживает входную мощность до 100 Вт для быстрой зарядки аккумуляторной батареи. Затем этот порт способен выдавать 65 Вт, что делает его достаточно мощным для зарядки многих ноутбуков USB-C. Он поддерживает технологию быстрой зарядки Samsung PPS и имеет достаточно энергии, чтобы зарядить обычный телефон два или три раза. Порт USB-A обеспечивает максимальную выходную мощность 18 Вт.

Хорошо, но мы все здесь за скорость зарядки аккумулятора, и Elecjet говорит, что Apollo Ultra будет заряжаться от нуля до полного за очень впечатляющие 27 минут при подключении к мощному настенному зарядному устройству мощностью 100 Вт.

Показатели сравнения скорости зарядки Elecjet Apollo Ultra с обычным блоком питания такой же емкости.

Мой тестовый образец многократно заряжался от нуля до 99,9% за 27 минут с помощью зарядного устройства GaN мощностью 100 Вт (продается отдельно примерно за 50 долларов), которое поставила компания Elecjet. Затем потребовалось еще 90 секунд, чтобы показать 100% на дисплее батареи. Elecjet говорит, что это незначительная ошибка, и батарея заряжена на «99,999%» за 27 минут. В остальном Elecjet Apollo Ultra заряжается линейно, достигая 25 процентов за 6,5 минут, 50 процентов за 13 минут и 80 процентов примерно за 21 минуту.

Для сравнения, я подключил то же зарядное устройство на 100 Вт к литий-ионному аккумулятору емкостью 10 000 мАч, который недавно купил на AliExpress примерно за 20 долларов. Зарядка с нуля до полной заняла более трех часов. Это подтверждает заявление Elecjet о том, что Apollo Ultra, обогащенный графеном, заряжается в пять раз быстрее, чем обычные аккумуляторы.

Я также заряжал аккумулятор Apollo Ultra от менее мощного зарядного устройства моего MacBook на 29 Вт. Power Bank заряжается с нуля до полного за 74 минуты. Это намного медленнее, как и следовало ожидать от более слабого зарядного устройства, но все же более чем в два раза быстрее, чем батарея AliExpress, подключенная к зарядному устройству мощностью 100 Вт.

При попытке зарядить одновременно два устройства от Apollo Ultra все стало немного странно. Мой MacBook сообщил, что он заряжается на 65 Вт при подключении к порту USB-C. Затем она упала до 5 Вт после того, как я подключил iPhone X или Oppo Find X3 Pro для одновременной зарядки от порта USB-A. В часто задаваемых вопросах кампании Indiegogo утверждается, что «выходная мощность 87 Вт Apollo Ultra будет разделена между двумя устройствами», так что что-то кажется неправильным.

Apollo Ultra, который я тестировал, лишь немного прогрелся из 20 или около того раз, когда я полностью заряжал и разряжал его, в то время как эталонный литий-ионный аккумулятор с медленной зарядкой оставался холодным все это время. «Тепло» похвально, учитывая, что Apollo Ultra потребляет более чем в пять раз больше энергии и говорит об эффективности графена при рассеивании тепла. Elecjet сообщил мне, что Apollo Ultra оснащен восемью функциями безопасности, и что температурные испытания UL никогда не превышали 42°C (107,6°F).

Elecjet Apollo Ultra немного толще, чем обычные внешние аккумуляторы той же емкости. Фото Томаса Рикера / The Verge

Elecjet Apollo Ultra также более пухлый, чем моя эталонная батарея, несмотря на то, что содержит такое же количество электронов. Это связано с тем, что для работы с более высокими входными и выходными мощностями требуется более крупный модуль питания. В то время как размер устройства не изменится для продукта, который поставляется сторонникам Indiegogo, Elecjet говорит мне, что модуль питания следующего поколения должен позволить его будущим гибридам соответствовать размеру его предшественников с более медленной зарядкой.

Примечание о краудфандинге:

Краудфандинг по своей природе хаотичен: компании, ищущие финансирование, склонны давать большие обещания. Согласно исследованию, проведенному Kickstarter в 2015 году, примерно 1 из 10 «успешных» продуктов, которые достигают своих целей финансирования, не приносят вознаграждения. Что касается тех продуктов, которые действительно выполняются, то задержки, невыполнение сроков или чрезмерно обещанные идеи означают, что те продукты, которые действительно выполняются, часто вызывают разочарование.

Лучшая защита — это здравый смысл. Спросите себя: выглядит ли продукт законным? Компания делает диковинные заявления? Есть рабочий прототип? Упоминает ли компания о существующих планах по производству и отгрузке готовой продукции? Он прошел Kickstarter раньше? И помните: вы не обязательно покупаете продукт, когда поддерживаете его на краудфандинговом сайте.

Китайские производители телефонов в настоящее время участвуют в собственной гонке за быструю зарядку. Новый 11T Pro от Xiaomi оснащен аккумулятором емкостью 5000 мАч, который заряжается от нуля до 100 процентов всего за 17 минут с помощью прилагаемого зарядного устройства на 120 Вт. Но эта батарея имеет двухэлементную конструкцию, позволяющую заряжать обе половины одновременно. Это нормально для телефонов стоимостью более 500 долларов со сложными чипсетами, которые не ограничены ограничениями USB-C PD. Тем не менее, Elecjet соответствует 17-минутной зарядке своего другого аккумуляторного блока, обогащенного графеном, Apollo Traveller емкостью 5000 мАч.

Совершенно верно — Apollo Ultra — не первый гибридный аккумулятор на основе графена, доступный для покупки. В дополнение к предложениям Elecjet, Chargeasap производит ряд гибридных аккумуляторных батарей, в том числе чудовищную аккумуляторную батарею емкостью 20 000 мАч за 299 долларов, которая также пропитана графеном, только с большим количеством портов, поверхностью для беспроводной зарядки и более высокой выходной мощностью 100 Вт. Компания заявляет, что он будет заряжаться с нуля до полного за 70 минут, что звучит примерно так, поскольку он вмещает вдвое больше энергии.

Эти гибридные аккумуляторы — впечатляющий первый шаг производителей на пути к созданию миниатюрных, экологически чистых аккумуляторов большой емкости 9Нам обещали 0022 чистых графеновых батарей.

До тех пор цена Elecjet Apollo Ultra на Indiegogo сейчас составляет 65 долларов .

Самый популярный

1. Апрельские дураки ‘День 2023: Лучшие и самые криксущие шутки

   ---

2. Cheeper Xbox расширяются карты хранения на пути

   ---

3. Truckla’ Dies Tesla Pickup Pickup Truckup Truckupling

   77777777777777777777777777777777777777777777777777777.

   ---

4. Сегодня День дурака, но этот портативный игровой ПК Asus ROG Ally не может быть шуткой

   ---

5. Home Assistant SkyConnect — отличный повод разрушить свой умный дом и начать все с нуля

   ---

Прорыв в графеновых батареях | Нанотех Энергия

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Все начинается с графена.

• Электромобили, которые проезжают более 400 миль на одной зарядке
• Смартфоны заряжаются за секунды
• Медицинские приборы, которые всегда на дежурстве

Все эти прорывы будут сделаны благодаря графену.

Аккумуляторы с графеновым питанием

Бесконечно безопаснее, умнее, долговечнее, сделано в Америке.

Наша исследовательская и испытательная группа неустанно работала над созданием негорючего, недорогого и стабильного электролита. Их усилия окупились, когда мы нашли решение, которое может делать все это и хранить больше заряда.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Что дальше?

Будь то пуленепробиваемая броня или сверхлегкие самолеты, Nanotech всегда рядом, чтобы совершенствовать повседневные вещи, по одному революционному продукту за раз.

Светлое будущее в сфере хранения

Передовая технология аккумуляторов

Бесчисленные рынки стремятся к графеновой революции, и многие стремятся сделать это, используя наши передовые, сверхбезопасные аккумуляторы американского производства и исследования.

ОТКРОЙ ДЛЯ СЕБЯ БОЛЬШЕ

Материалы для прорыва

Суперматериалы

Мы расширяем возможности наноматериалов, чтобы проложить путь к более безопасным и мощным продуктам. Независимо от варианта использования, Nanotech Energy может предоставить индивидуальные решения для достижения ваших целей.

ОТКРОЙ ДЛЯ СЕБЯ БОЛЬШЕ

Первые в мире изобретения

Патенты

Наша команда владеет одним из первых патентов на создание графена, и с тех пор мы стремимся к еще большим и лучшим достижениям.

Массовое производство

Когда-то неразрешимая задача, массовое производство графена теперь возможно благодаря нашему новаторскому процессу разработки.

Новые проекты

Это означает, что мы можем создавать новые мощные продукты на разных рынках, применяя их в батареях, токопроводящих чернилах, печатной электронике и многом другом.