Графеновый аккумулятор википедия – Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Написано 4 января 2018от generator-prosto.

Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад. Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно. В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.

Содержание статьи:

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью. Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании. В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги. Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

По мнению учёных, графен вполне может заменить используемые сегодня полупроводники на основе редкоземельных металлов. На его основе можно получить элементы, имеющие размеры в несколько раз меньше. К тому же, графен более распространён в природе и стоит дешевле редкоземельных металлов. Помимо этого, новый материал имеет высокую тепловую стойкость, что даёт возможность увеличить мощность микросхем.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

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.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Компания Graphenano из Испании является одним из крупных производителей графена в промышленных объёмах. Инженеры Graphenano и специалисты университета Кордовы в Испании несколько лет назад разработали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось создать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70-80%.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7-10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий-ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек.

Первые серийные образцы этих графен-полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung). Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий-полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

В Австралии разработками графеновых аккумуляторов занимаются специалисты университета Monash. Как известно, одной из проблем графена является поддержание его в стабильном состоянии. Этот материал стремится перейти в обычный графит, при котором теряются уникальные характеристики. Австралийские учёные решили эту задачу путём превращения графеновых пластин в водяной гель. Они утверждают, что если изготовить аккумулятор из этого геля, то скорость его зарядки составить всего несколько секунд.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий-ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития). В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной). Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода — магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз. Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.

Опубликовано в Аккумуляторы

generator-prosto.ru

Компания Samsung будет использовать графеновые батареи в своих смартфонах уже в 2021 году

Компания Samsung готовит к релизу смартфон с батарейной технологией, которая позволит ему полностью зарядиться менее чем за полчаса.

В ноябре 2017 года компания Samsung заявила о том, что инженеры исследовательского подразделения Samsung Advanced Institute of Technology успешно синтезировали графеновые элементы («графеновые шарики»), которые благоприятно влияют на работу литий-ионных батарей, повышая их емкость на 45%, а скорость зарядки увеличивается в пять раз, ведь графен «в 100 раз эффективнее проводит электричество, чем медь», передает энергию «в 140 раз быстрее», чем кремний, что делает его «идеальным материалом для быстрой зарядки».

Ссылка на научную статью «Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities» от инженеров Samsung Advanced Institute of Technology.

Затем эти «графеновые шарики» инженеры применили в катоде и аноде литиево-ионной батареи, что позволило серьезно улучшить ее качества. В компании Samsung запатентовала эту новую технологию в Южной Корее и США.

Благодаря новым графеновым элементам аккумуляторы смартфонов Samsung получилось зарядить в несколько раз быстрее — от 0% до 100% потребовалось всего 12 минут. Для сравнения, обычные аккумуляторы схожей емкости потребуют от одного до двух часов (примерно 3000 — 5000 мАч) для полной зарядки.

И вот, в августе 2019 года у издания Business Insider со ссылкой на авторитетного блогера Эвана Бласса, известного своей осведомленностью относительно предстоящих мобильных новинок, появилась информация о том, что компания в Samsung готовят к релизу смартфон с батарейной технологией с графеновыми элементами, которая позволит ему полностью заряжаться менее чем за 30 минут.

Почти во всех современных смартфонах и планшетах установлены традиционные литий-ионные аккумуляторные батареи, которые можно зарядить до 100% примерно за полтора часа (при условии, что в них реализована технология быстрой зарядки, такая как Qualcomm Quick Charge, Huawei SuperCharge или Oppo VOOC).

Например, флагманский планшетофон Galaxy Note10, недавно анонсированный Samsung, поддерживает быструю зарядку мощностью 45 Вт, что позволяет его аккумуляторной батарее емкостью 4 300 мА*ч зарядиться до 100% менее чем за шестьдесят минут.

В компании Samsung уже располагают реальным устройством с новой аккумуляторной батареей на основе графена, а инженеры ее исследовательского подразделения сейчас работают над повышением ее мощности и снижением производственных затрат на производство компонентов батареи.

Тем более, что аккумуляторные батареи на основе графена, емкость которых равна литий-ионным аналогам, обладают:

— значительно более компактными размерами;

— определенным уровнем гибкости, что может оказаться весьма полезным при проектировании складных смартфонов и гаджетов.

Инженеры компании Samsung считают, что переход на аккумуляторные батареи на основе графена позволит увеличить уровень емкости батарей мобильных устройств на 45%.

Ожидается, что будущий смартфон Samsung сможет заряжаться вдвое быстрее за счет аккумуляторной батареи на основе графена и выйти такая новинка сможет в 2020 или 2021 году.

«Литий-ионные батареи… неоптимальны, — написал Эван Бласс. — Samsung надеется выпустить по крайней мере один смартфон в следующем или 2021 году, как мне сказали, у которого будет графеновый аккумулятор».

habr.com

Графеновый аккумулятор – особенности эксплуатации магний-графеновых АКБ

Алмаз, графит, древесный уголь – это все углерод в различных трехмерных кристаллических решетках. Но нас интересует новый вид кристаллов, двухмерный, плоский. Он назван графеном и имеет выдающиеся свойства. Расщепить кристаллы на молекулярном уровне удалось совсем недавно, в 2004 году. Огромный поверхностный заряд материала обусловлен плоской структурой. Для использования в электротехнике важны и другие свойства – отличная тепло- электропроводность, увеличение допустимой мощности микроэлектронных схем. При толщине поверхности 91*10 ^-12м или 91 пикометра, на ней удерживается вес в 4 кг. Для аккумулятора важно, что тонкий слой графена принимает заряд мгновенно, и аккумулятор емкостью 55 А/ч заряжается за 8 минут.

Устройство графенового аккумулятора

Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента. Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый.

Ученые прогнозируют, будущее за графеновыми аккумуляторами. Их плюсы неоспоримы, а минусы минимальны. Но создать устойчивые компоненты, закрепить двухмерность углерода не просто.

Зарубежные научные корпорации пошли по пути создания графеновых накопителей энергии с электролитом в виде LiCoO2. Идут разработки, уже имеется опытное производство аккумуляторов с 2015 года. Первой стала испанская компания Graphenano. На зарядку графенового аккумулятора требуется всего 8 минут. При этом заявлено, что емкость литий-графеновых аккумуляторов в 10 раз больше, чем литий-ионных.

Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания. Ученые прогнозируют  емкость новых, магниево-графеновых аккумуляторов, больше литиевых в 2,5 раза.

Не остались в стороне разработчики в области IT-технологий. Графеновые аккумуляторы входят в производство. Уже в 2018 году эксперты из компании Elecjet выпустят портативный заряжающий аккумулятор USB-C на графеновой основе. Зарядить телефоны iPhone 5,6,7 можно будет за 5-10 минут.

В январе 2018 года компания Samsung обещала поставить в торговые сети новый смартфон Galaxy S9 с настоящей графеновой батареей. При емкости в 3000мА/ч заряжаться телефон будет 15 минут. Компания получила патент на графеновый аккумулятор для смартфонов и будет единственным мировым поставщиком.

Графеновый аккумулятор для электромобиля

Разработки аккумуляторов для автомобилей с графеном перспективны. Новости о производстве скупы. Компании всего мира стремятся создать собственные разработки. Поэтому информация о графеновых аккумуляторах засекречена.

В основном разработки ученых направлены на создание крупных аккумуляторов для транспорта. Автомобильный пробег на одной зарядке модели Tesla Mobil S составляет 800-1000 км, скорость зарядки 10-12 минут. Транспорт экологически чистый. С развитием производства графеновых аккумуляторов неизбежно строительство сети зарядных станций.

Производство графеновых аккумуляторов перспективно. Именно такого емкого и быстро заряжающегося источника энергии не хватает для развития электромобилей. Важно и то, что весит новый аккумулятор в 2 раза меньше литий-ионных батарей. Его механические свойства идеально вписываются в условия эксплуатации машин. Графен в 200 раз прочнее стали, эластичный. Первые опытные образцы уже проходят испытания.

В России лидером в разработке магний графеновых аккумуляторов является предприятие «Конгран» (конденсатор графеновый Академии наук), резидент центра Сколково. Ведутся работы по подбору и созданию устойчивой композиции двухмерного графена, стремящегося к объемной структуре.

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

Любой летательный аппарат эффективности полета и его дальности обязан бортовой АКБ. При выборе источника энергии важны емкость, токоотдача, вес и габариты. До появления графеновых аккумуляторов непревзойденными качествами обладали литий-полимерные. Но они склонны к возгоранию при перезаряде и нагревании. Этих недостатков лишены магний графеновые аккумуляторы. Купить некоторые из образцов уже возможно.

Лучшим считается аккумулятор в жестком корпусе Turnigy Graphene 5000 mAh 2S2P. Новая батарея поддерживает высокую выходную мощность, под нагрузкой остается холодной. При этом батарея обеспечивает разряд 90С постоянно и 130С кратковременно. Вес конструкции с проводами и разъемами 291 грамм. Заряжается быстро с потреблением тока до 15 С, от LiPo зарядки.

Есть и другие аккумуляторы, разработанные на основе графеновых составляющих от разработчика Graphene. К ним относится:

• модель FlyMod от компании ONBO Power;
• Dinogy Ultra Graphene 02 4S 80C – вторая доработанная модель;
• Thunder Power Adrenaline – лучшие модели для продолжительных полетов.

Графеновый аккумулятор своими руками

Уже понятно, создать двухмерную структуру графена и закрепить его свойства – задача не из простых. Ученые всего мира работают над проблемой. Сделать в кустарных условиях графеновый аккумулятор невозможно.

Но усвоив, что слой углерода должен быть микроскопически тонким, мастера получают такой разными способами.  Они истирют графит в тонкодисперсный порошок, производят химическую обработку, наносят его на подложку из алюминия. Предлагаем ознакомиться с одним из способов получения нужного состава.

Потребентся металлический сосуд с герметичной закрывающейся крышкой, с мешалкой. Миксер работает от асинхронного двигателя без перерыва 2 суток. В емкости смешивается в пену графитовый порошок с жидкостью Ферри. В полученной пене во взвешенном состоянии находятся микроскопические частицы графита. Высушить пену, собрать пыль, растворить ее в лаке для обработки алюминия – вот и готов «графен». Теперь состав нужно нанести на подложку из алюминия и строить магний-графеновый аккумулятор своими руками.

Есть способы сбора угольной пыли на липкую ленту, выжигание лучом лазера с получением чешуйчатого материала, растворение графита в смеси азотной и серной кислот. Высохший осадок выжигают в установке, получая легкие хлопья. Считают этот вид сажи графеном и работают с ним.

Видео

Предлагаем посмотреть видео и оценить один из способов получения гибкого графенового аккумулятора своими руками.

 

 

batts.pro

история изобретения, перспективы применения и изготовления своими руками

Даже человек, слабо связанный с техникой, знает, что любая автономная система, в работе которой задействовано электричество, не может обойтись без независимых источников электроэнергии. Будь это средства мобильной связи или транспортные средства — все они должны быть оснащены батареями или аккумуляторами, недостаток которых — небольшая ёмкость и короткий срок эксплуатации. С появлением графеновых батарей этот недостаток будет устранён.

История открытия

Поиски новых материалов для аккумуляции электрической энергии учёные вели давно. Применяемые до сих пор составляющие батарей и аккумуляторов уже не отвечали современным требованиям к электротехнике. Особенно это относилось к батареям и аккумуляторам, чьи невысокие технические характеристики тормозили развитие новых экономичных и экологически чистых транспортных средств.

Исследования увенчались успехом в 2004 году, когда двое британских учёных, выходцев из России, Константин Новосёлов и Андрей Гейм, получили в лаборатории новый материал с нужными свойствами на основе углерода — графен. За создание углеродной плёнки толщиной в один атом на подложке из оксида кремния с высокими аккумулирующими характеристиками учёные получили в 2010 году Нобелевскую премию.

Эта разработка считается самой перспективной в области технологий аккумулирования электроэнергии, хотя технически ещё и не получила массового применения.

Структура графена

Графен является разновидностью графита — вещества, состоящего из атомов углерода. Кристалл графита состоит из слоёв, которые напоминают сложенные стопкой листы бумаги. Атомное взаимодействие между слоями слабее, чем в их середине, поэтому графит так хорошо подходит в качестве стержня для карандашей.

Это свойство и позволило расщепить его на отдельные слои и получить новое вещество под названием «графен», обладающее теми же свойствами, что и графит, но в несколько раз усиленными. Такой результат является прорывом для развития электроники, а также производства батарей и аккумуляторов, ведь природный графит обладает великолепной тепло- и электропроводностью. Это позволит заменить графеном дорогостоящие материалы, использующиеся сейчас в производстве, ведь графит имеется в природе в изобилии.

Графен имеет предельно простую кристаллическую структуру, уменьшающую сопротивление потоку электронов, поэтому может накапливать заряд намного быстрее, чем объёмные кристаллы. И заряд этот намного мощнее. Эти свойства позволят создавать из него батареи и аккумуляторы, имеющие намного лучшие технические характеристики, чем у используемых сейчас.

Устройство батарей и аккумуляторов

Принцип действия и устройство графеновых аккумуляторов те же, что и обычных аккумуляторных батарей, установленных на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Отличие в электрохимических процессах, происходящих внутри устройства. Больше всего они сходны с реакцией, идущей в литий-полимерной аккумуляторной батарее.

Сейчас существуют два конкурирующих технологических направления по производству графеновых аккумуляторов. Разработаны они в США и России:

• в американской модели источники химической реакции состоят из кобальтата лития, а также катода из перемежающихся кремниевых и графеновых пластин;
• во втором — российском — варианте был создан магний-графеновый аккумулятор, в котором используемая как анод литиевая соль была заменена оксидом магния, который дешевле и менее токсичен.

В обоих случаях происходит увеличение скорости прохождения ионов между электродами и ёмкости аккумуляторов, потому что графен имеет высокую электропроницаемость и склонность к накапливанию электрического заряда. Отличаются лишь оценки возможной ёмкости. Американские специалисты считают, что она увеличится по сравнению с литий-ионными аккумуляторами в десять раз, а русские — до двух с половиной раз.

Преимущества и проблемы

Аккумуляторам с используемым в них плоским кристаллом графита сулят большие перспективы. Они отличаются:

• меньшим весом;
• высокой проводимостью;
• большой прочностью и водонепроницаемостью;
• экологической чистотой;
• повышенной удельной ёмкостью;
• возможностью регулировки своих качеств благодаря комбинированию с другими материалами;
• лёгкой устранимостью повреждений;
• невысокой ценой на сырьё.

Главная проблема графеновых аккумуляторов на сегодняшний день — их размер. Они получаются слишком большими для установки в мобильные устройства. Пока эта проблема не решена.

В отличие от гаджетов, в автомобилестроении графен имеет прекрасные перспективы уже сейчас. Установка аккумуляторов из графена на электромобиль увеличивает его пробег между двумя зарядками в три раза, до 1000 км. Зарядка длится самое большее 10 минут. Оснащение для этого АЗС заправочными станциями проблемой не является.

Другие разработки

Работы по усовершенствованию графеновых аккумуляторов кроме России и США активно ведутся и в других странах.

Учёным Австралии удалось открыть способ удержания графеновых пластин в стабильном состоянии. Ведь их неустойчивость, стремление вернуться в трёхмерное состояние, свойственное обычному графиту, была одной из основных проблем этого материала. Чтобы предотвращать это, учёные поместили пластины графена в водяной гель, что предотвращает их слипание. Кроме того, аккумулятор такой конструкции можно будет заряжать за считанные секунды. Стоимость геля невысока, ведь он состоит всего лишь из воды и углерода.

Практически каждый год в мире появляются новые технологии, которые позволяют более рационально использовать истощающиеся естественные ресурсы. К ним относится и изобретение графена, который в недалёком будущем, возможно, вызовет революционные изменения в транспортной системе благодаря своим уникальным свойствам в большом объёме аккумулировать и сохранять электрическую энергию. Вполне вероятно, каждый желающий сможет с помощью 3 D -принтера сделать графеновый аккумулятор своими руками.

220v.guru

Графеновый аккумулятор: устройство, работа, перспективы

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

Материал графен

Углеводородный кристалл атомы вещества которого расположены на одной плоскости называют графеном. Лист данного материала имеет толщину не более одного атома, вещество не имеет цвета. Отличительными особенностями графена стали высокая прочность и энергетическая емкость.

Российским ученым удалось синтезировать такое вещество искусственным путем на окисле кремния. Полученная толщина составила значение в миллион раз тоньше обычного листа бумаги.

Многие страны современного мира занимаются созданием поточных производственных линий по изготовлению графена. На базе такого вещества получится создать такие приборы как:

• сверхтонкие мониторы;
• приборы на полупроводниках;
• графеновый аккумулятор.

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

Перспективы графена

Широкое распространение данного вещества позволит создавать новые производства и исследовательские центры. Станет возможным применять такой материал на производстве и для хозяйственных нужд. Серийное изготовление графена позволит создавать:

• линии для производства данного материала;
• новые модели электромобилей;
• специализированные энергозаправки;
• открытие новых электростанций;
• создание компьютеров компактных размеров;
• позволит снизить вредные выбросы.

Что такое графеновый аккумулятор

Благодаря открытию углеводородного материала с кристаллами толщиной в один атом, у исследователей возник вопрос создания совершенной аккумуляторной батареи с улучшенными техническими характеристиками.

Устройство источника питания

Принцип работы графеновых источников питания многим напоминает распространенные кислотные аккумуляторы. В процессе протекания химических реакций происходит выработка и накопление электрического тока.

Устройство источников питания на основе графена напоминает литий полимерные АКБ. В настоящее время для того, чтобы создать графен полимерный аккумулятор разработано несколько специальных технологических процессов.

В роли положительного электрода выступает материал, состоящий из пластин графена и кремния. Отрицательным электродом служит в одном случае вещество на основе кобальта, во втором магниевый оксид, имеющий пониженную стоимость. Изготовление таких источников питания в домашних условиях невозможно ввиду сложности технологии производства.

Виды

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

1. Лития кобальтат применяется в качестве отрицательного электрода. В роли положительно заряженного электрода выступает материал, состоящий из монопленки и графена. Применение таких аккумуляторов не распространено так как их производство обусловлено повышенными затратами, помимо этого, соли на основе лития обладают токсичностью.
2. Во втором варианте исполнения данных батарей в качестве отрицательного электрода применяют соединения на основе магния. Такие источники питания обладают повышенными полезными характеристиками и имеют пониженную стоимость. Используемые вещества в таких батареях не являются токсичными.

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

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

• уменьшенный вес изделия, за счет применения легких металлов;
• с использованием современных технологий удалось добиться создания источников питания с малыми размерами;
• повышенное значение внутренней проводимости;
• увеличенный срок службы;
• повышенное значение внутренней емкости и устойчивости к износу;
• имеют возможность регулировки основных параметров;
• сравнительно малая стоимость;
• распространенность кристаллов углеводородов в природе.

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

• Имеют плотность не пригодную для питания мобильной электроники. Аккумулятор, изготовленный для переносных гаджетов, будет иметь относительно большие размеры.
• Малое число энергозаправочных станций для графеновых батарей.
• В составе некоторых электродов при изготовлении применяется литий, который является редким металлом.

Альтернативные разработки

Графеновые суперконденсаторы являются одним из альтернативных направлений при разработке источников питания на основе графена. Благодаря новейшим технологиям удалось получить конденсатор повышенной емкости с высокой энергетической плотностью. Причем с увеличением рабочей температуры полезные свойства только улучшаются.

Конденсатор такого типа способен восстанавливать заряд за считанные минуты, зависти это от мощности источника энергии. Производство и исследования графена облегчило создания сверхтонких полупроводников и конденсаторов высокой емкости.

Важно! Толщина графена в полупроводнике может достигать размеров одного атома.

Открытие накопителей с углеродными электродами позволит ускорить широкое использование электротранспорта и миниатюрных электронных устройств.

Развитие производства графеновых батарей

В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2017 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.

Интересно знать! Испания является единственной страной, в которой графеновый аккумулятор производится серийно.

Американские и европейские разработчики находятся на стадии научно-исследовательской работы. Однако ученые из Австрии значительно продвинулись вперед. У них получилось разместить монопленку графена в оболочку из гелия, в результате чего стало возможным сохранить пластины на стабильном расстоянии друг от друга. В результате было предотвращено возможное слипание.

Российские разработки направлены на создание магний графенового аккумулятора повышенной емкости с малыми размерами. О массовом производстве пока информации нет.

Графеновый аккумулятор в настоящее время можно считать новым поколением источников питания. В ближайшем будущем станет возможным заменить автомобильную технику с двигателем внутреннего сгорания на экологически чистый транспорт с питанием от графеновых батарей.

batteryzone.ru

Графеновый аккумулятор и его преимущества

Графеновый аккумулятор и его преимущества.

 

 

Графеновый аккумулятор – своеобразный гибрид между конденсатором и химическим источником тока. Имеет высокую проводимость, малый вес, большую емкость, а также быстрый цикл зарядки, измеряемый от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

 

Графеновый аккумулятор

Преимущества графенового аккумулятора по сравнению с другими

 

Графеновый аккумулятор:

Графеновый аккумулятор – своеобразный гибрид между конденсатором и химическим источником тока. Значительное увеличение плотности и мощности накапливаемой в нем энергии достигается за счет окислительно-восстановительных реакций в области катода из гипероксидированного графена, имеющего дополнительную оксидную группу, а также последующего чередования графеновых и кремниевых пластин. Анод может выполняться из двух типов материалов: кобальтата лития либо оксида магния. В результате устройства – графеновые аккумуляторы имеют максимально возможную подвижность электронов.

Графен – одна из разновидностей углеводородных кристаллов с атомами, напоминающие своей формой правильные шестиугольники, занимающие одну общую плоскость. Эту тончайшую пленку (в сотни тысяч раз тоньше бумажного листа) открыли российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов, изучая подложку кремниевого оксида. Наглядно материал представляет собой прозрачную углеродную пластинку, соответствующую по толщине одному атому (91х10^-12).

У него – графена очень высокая прочность, электропроводность и энергоемкость. Так, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.

Именно эти уникальные свойства позволяют использовать графен в качестве материала для создания аккумуляторов.

В зависимости от используемых производных материала, графеновый аккумулятор может создаваться на основе двух физических принципов:

– на основе окиси графена, которая используется при построении энергонакопителя, обеспечивающего высокую удельную емкость;

– на основе восстановленной окиси графена, которая в используемых катодах химически связывает с собой кислород.

В обеих разновидностях батарей также используются электрохимические процессы, но устройства работают на экологически чистом электролите с полиаминокислотной основой.

 

Преимущества перед аналогами (традиционными аккумуляторами):

– недорогое и распространенное исходное сырье. Сегодня имеется возможность производить графен в промышленных масштабах дешевым способом,

– малый вес. Один квадратный метр графена весит меньше 1 грамма, что соответственно влияет на вес всего аккумулятора,

– экологическая чистота (отсутствие загрязнений окружающей среды),

– хорошая прочность и водонепроницаемость,

– быстрое восстановление поврежденных участков,

– высокая проводимость, в разы превышающая характеристики всех существующих полупроводниковых материалов,

– большая удельная емкость. Использование его в качестве источника тока позволяет проезжать электрическому автомобилю 1000 км без подзарядки,

– техническая долговечность и возможность накапливать большую мощность при частых циклах заряд/разряд,

– быстрая зарядка, измеряемая от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

карта сайта

графеновый аккумулятор купить википедия своими руками цена для электромобиля honor характеристики преимущества большой емкости
самодельные samsung графеновые аккумуляторы 2018 купить цена самсунг новости россия фото плюсы и минусы
как сделать huawei литий магний графеновый аккумулятор в смартфоне для телефона

 

Коэффициент востребованности 731

xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Графеновый аккумулятор

Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад. Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно. В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.

 

Содержание статьи

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью. Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании. В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги. Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10^-12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

По мнению учёных, графен вполне может заменить используемые сегодня полупроводники на основе редкоземельных металлов. На его основе можно получить элементы, имеющие размеры в несколько раз меньше. К тому же, графен более распространён в природе и стоит дешевле редкоземельных металлов. Помимо этого, новый материал имеет высокую тепловую стойкость, что даёт возможность увеличить мощность микросхем.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.
Вернуться к содержанию
 

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.
Вернуться к содержанию
 

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Компания Graphenano из Испании является одним из крупных производителей графена в промышленных объёмах. Инженеры Graphenano и специалисты университета Кордовы в Испании несколько лет назад разработали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось создать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70─80%.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий─ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung). Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

В Австралии разработками графеновых аккумуляторов занимаются специалисты университета Monash. Как известно, одной из проблем графена является поддержание его в стабильном состоянии. Этот материал стремится перейти в обычный графит, при котором теряются уникальные характеристики. Австралийские учёные решили эту задачу путём превращения графеновых пластин в водяной гель. Они утверждают, что если изготовить аккумулятор из этого геля, то скорость его зарядки составить всего несколько секунд.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития). В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной). Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз. Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию

akbinfo.ru