Графеновые батареи: что это такое и почему за ними будущее?
Сегодня смартфоны удовлетворяют почти всем нашим требованиям. Яркие и сочные дисплеи, превосходного качества корпуса, выполненные из стекла и металла, громкие мультимедийные динамики, ну и, конечно же, камеры, благодаря которым мы совершаем превосходные снимки — всё это делает наше взаимодействие со смартфоном максимально комфортным. Но при всех этих плюсах есть один существенный недостаток — автономное время работы устройств.
Литий-ионные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя на рынке и уже более 29 лет занимают первое место в обеспечении смартфонов энергией. Однако нельзя отрицать, что годы идут, а начинка смартфонов становится мощнее и питать такое количество компонентов становится всё сложнее, поэтому индустрия нуждается в «свежей крови». Одним из таких решений может стать графен.
До сих пор графеновые аккумуляторы не имеют широкого применения в смартфонах или любых других гаджетах повседневного использования, но всё это вопрос времени.
Что мы знаем о графене и его свойствах?
Графен — это сложное соединение атомов углерода, связанных в так называемую сотовую структуру, благодаря чему он обладает рядом интересных свойств. Например, является самым мощным в мире проводником электрической и тепловой энергии, очень гибок и чрезвычайно лёгок. Кроме того, графен экологичен и устойчив к разного рода воздействиям.
Что касается батарей, в которых будет использоваться этот материал, то скорее всего его используют в качестве «суперконденсатора» — аналога аккумуляторной батареи, который позволит увеличить автономное время работы, а также уменьшит время зарядки.
Об отличиях литий-ионных и графеновых батарей
Несмотря на то, что литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию аналогичным образом, в конструктивных аспектах и областях применения, они отличаются друг от друга, с точки зрения срока службы эксплуатации, безопасности и скорости передачи энергии.
Основополагающей причиной, по которой графеновые батареи более эффективны, чем нынешние литий-ионные батареи — их способность рассеивать тепло. Когда происходит передача тепла, создается большое количество энергии из-за сопротивления проводников. С увеличением тепловой энергии сопротивление возрастает ещё больше, создавая так называемый цикл неэффективности. Относительное превышение тепла и сопротивления приводит к деградации батареи и устройства в целом. Вспомните хотя бы печальный опыт Samsung Galaxy Note 7.
Дабы предотвратить катастрофические сбои, литий-ионные аккумуляторы используются вместе с графеном, для улучшения характеристик катодного проводника. Таким образом, литий-ионные батареи с применением графена известны как гибриды, за счёт чего они имеют большую зарядную ёмкость, меньший вес, больший срок службы и более быстрое время зарядки, чем традиционные батареи. Гибридные батареи, вероятно, станут первыми графеновыми батареями потребительского сегмента, которые появятся на рынке.
В настоящее время графен является одним из самых проводящих материалов в мире с относительно низким уровнем сопротивления. Низкие уровни сопротивления контролируют уровни нагрева, тем самым поддерживая общие температуры в минимальном и безопасном диапазоне.
А что дальше и в чём подвох?
Не смотря на все перечисленные достоинства графеновых батарей, в настоящее время графен все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения его коммерциализации, в качестве аккумуляторной технологии. Этой несомненно перспективному материалу ещё предстоит преодолеть множество проблем, включая чрезвычайно высокую стоимость производства. По мере того как производственный процесс становится более доступным и усовершенствованным, возможности применения графена будут значительно расти.
Наиболее обнадеживающим применением графена является его интеграция с литий-ионными батареями, гибридами. Но если вы ещё сомневаетесь в этой технологии, то вот список компаний, которые уже инвестируют в развитие этого направления: Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Cabot Corporation, Grabat Graphenano Energy, Nanotech Energy, Nanotek Instruments, XG Sciences.
Трудно предсказать дальнейшее будущее аккумуляторов с использованием графена, но совершенно точно можно сказать, что графен станет важной частью следующего шага развития технологий аккумуляторных батарей.
В Австралии создали аккумуляторы из алюминия и графена, которые заряжаются в 60 раз быстрее литийионных
Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) из Брисбена на основе разработки Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета (UQ) создала аккумуляторы, которые по многим параметрам выглядят намного лучше современных литиевых батарей. Это прорыв, говорят разработчики и обещают через год начать массовое производство новинки.
Источник изображения: Graphene Manufacturing Group
Новые аккумуляторы из алюминия и графена дешевле, не используют редкоземельных металлов, не горят, выдерживают колоссальные токи и широкий диапазон рабочих температур.
Подобные перезаряжаемые элементы питания могут подтолкнуть далеко вперёд развитие электрического транспорта. Впрочем, для электромобилей алюминиево-ионные графеновые аккумуляторы компания GMG обещает начать выпускать только в 2024 году, тогда как со следующего года она запустит в производство аккумуляторы для других нужд.
Источник изображения: Graphene Manufacturing Group
Отчего так нескоро? В компании заявляют, что для выпуска алюминиево-ионных графеновых аккумуляторов для электромобилей необходимо создать элементы в стандартных формфакторах и со стандартными электрическими характеристиками, в частности — с таким же напряжением, как литийионные батареи. Пока же компания намерена выпускать революционные элементы в собственном формфакторе, который оптимизирован под фирменную технологию. Это не станет проблемой для выпуска целого спектра продукции на «алюминиевых» батареях, только бы компания сдержала своё обещание.
Источник изображения: Graphene Manufacturing Group
Катод алюминиево-ионной графеновой батареи представляет собой несколько слоёв перфорированного графена с порами примерно 2,3 нм.
В поры уложены атомы алюминия, что делает материал довольно плотным с точки зрения возможности запасать энергию и способным пропускать намного большие токи, чем литийионные. Также следует учитывать, что каждый ион алюминия в процессе заряда обменивается на катоде на три электрона, тогда как ион лития обменивается только на один электрон.
Источник изображения: Graphene Manufacturing Group
Заявленные разработчиками токовые характеристики алюминиево-ионных графеновых аккумуляторов достигают 149 мА·ч/г и 5 А/г. По энергоёмкости «алюминиевые» батареи на 30–40 % хуже хороших современных литиевых батарей, но в три раза лучше лучших лабораторных образцов алюминиево-ионных аккумуляторов, которые прежде были разработаны в Стэнфордском университете. Австралийские аккумуляторы в нынешнем виде обещают удельную энергоёмкость до 160 Вт·ч/кг и мощность до 7000 Вт/кг.
Источник изображения: Graphene Manufacturing Group
Благодаря способности выдерживать большие токи разработчики называют свои батареи чуть ли не суперконденсаторами.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии
Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут.
Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде. Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие.
Новые разработки графеновых аккумуляторов
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.
Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.
Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение.
В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей. Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.
В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек.
Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».
Графен — это слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке.
Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов
В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки.
Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.
Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.
Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки. В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.
Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение. По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.
2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно 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 транспортные средства. Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.
Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.
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. Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания.
Финансовые проблемы реализации научных достижений
Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет.
Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.
А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто. Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн. сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.
И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок.
Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями. Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.
Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа. Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.
Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.
Что дальше?
Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности.
Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.
Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока. Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».
Шведские исследователи из Chalmers смешивают графен и серу для новых литиево-серных батареи, теоретическая плотность энергии которых примерно в пять раз выше, чем у литий-ионных.
Новая идея исследователей — пористый губчатый аэрогель, изготовленный из восстановленного оксида графена, который действует как автономный электрод в элементе батареи и позволяет лучше и более эффективно использовать серу.
Удивительные свойства графена
Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света. В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов. Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.
Графен – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.
Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.
Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.
Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.
Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Email*
Подписаться
Графеновые аккумуляторы и их особенности
Еще не так давно появление гибридных автомобилей, которые являлись сочетанием электромотора и обычного двигателя внутреннего сгорания, казалось чем-то невообразимым.
Немало людей считало, что альтернативы ДВС не существует. Но сейчас электрические автомобили стали вполне привычным явлением, а стремительное развитие технологий позволяет сделать их намного более доступными.
Основным вариантом движущей силы в автомобиле является электрический мотор. Питание его осуществляется от специальной версии автомобильного аккумулятора, являющегося именно тем компонентом, который постоянно пытаются усовершенствовать. Первоочередной задачей является то, чтобы автомобиль мог проехать как можно большее расстояние без подзарядки и обслуживания.
На данный момент, наибольшее распространение получили литиевые аккумуляторные батареи. Но уже в скором времени у них может появиться серьезный конкурент в виде графеновых аккумуляторов.
Что представляет собой графен. Графеновые аккумуляторные батареи, аналогично литиевым, являются тяговыми, а не стартерными, как на моделях автомобилей с ДВС. Графен является достаточно интересным новым материалом, позволяющим значительно повысить работоспособность автомобильных элементов питания, которая будет составлять от нескольких сотен до тысяч километров, проходимых машиной без подзарядки. Этот материал представляет собой кристаллы углеводорода, с расположением атомов в единой плоскости, с толщиной листа, равной толщине одного атома. Отличительными особенностями графена являются повышенная энергоемкость и прочность. Итоговое вещество может быть охарактеризовано, как пленка из углерода, толщина которой — одна миллионная от толщины обычного бумажного листа.
Устройство графеновой батареи.
Принцип работы такого типа батарей совершенно не отличается от свинцово-кислотных аккумуляторов стандартной конструкции. Несмотря на то, что в ней протекают аналогичные электрохимические процессы, реакции абсолютно другие. Это касательно внутреннего устройства графенового типа аккумуляторов.
Коммерческий графеновый аккумулятор — теперь реальность
Мы много раз слышали о том, что производители смартфонов планируют использовать графеновые аккумуляторы в своих смартфонах, однако до сих пор ни одна компания не представила такие устройства. Ситуация может измениться очень скоро.
Американская компания Real Graphene работает над аккумуляторами с улучшенными характеристиками, которые, по словам представителей компании, практически готовы для массового коммерческого использования. Главным преимуществом графеновой батареи является то, что она заряжается очень быстро.
Исполнительный директор Real Graphene Сэмюэль Гонг (Samuel Gong) отметил, что полная зарядка графенового аккумулятора емкостью 3000 мА•ч занимает около 20 минут при использовании 60-ваттной зарядки.
Это в разы быстрее, чем заряжаются современные аккумуляторы большинства смартфонов.
Он добавил, что большинство аккумуляторов современных смартфонов выдерживают от 300 до 500 циклов зарядки без существенного ухудшения характеристик. А батареи Real Graphene могут выдержать около 1500 циклов при той же емкости. Поскольку графеновый аккумулятор генерирует гораздо меньше тепла, он оказывается холоднее и безопаснее.
Компания утверждает, что она предоставляет своим клиентам комплексное решение, которое включает батарею и специальный чипсет, необходимый для зарядки. Хотя компания еще не заключила соглашение с производителями смартфонов, она начала продавать портативные аккумуляторы Real Graphene.
Версия на 10 000 мА•ч предлагается за 90 долларов, а 100-ваттный блок питания обойдется в 15 долларов. Также ожидается версия емкостью 20 000 мА•ч. Они работают не так быстро, как будут работать будущие графеновые аккумуляторы смартфонов, но все равно заряжаются быстрее конкурентов.
Производитель заявляет, что 20-минутной зарядки внешнего аккумулятора хватает, чтобы полностью зарядить смартфон, а полная зарядка базовой версии занимает 55 минут.
Когда наступит революция в аккумуляторах? — Wylsacom
С выходом каждого нового поколения iPhone мы видим, как улучшаются процессоры, память, дисплеи, камеры и почти все остальные компоненты. Почему мы не видим каких-то значительных улучшений в аккумуляторах? По сравнению с тем, как стремительно развиваются все остальные компоненты смартфона, кажется, что батареи стоят на месте.
Давайте для начала определимся, что не так с существующими литий-ионными батареями, и выясним, в чём их основные недостатки.
Недостатки литий-ионных батарей
Недолговечность
Думаю, каждый из вас замечал, что спустя год использования смартфона батарея теряет ёмкость на 10–15 %. 800–1000 циклов — это предел для большинства аккумуляторов в смартфонах, за этим пределом использование гаджета уже становится непрактичным.
Чувствительность к температуре
Большинство литиевых аккумуляторов плохо переносит перепады температур. Работа при слишком низких или слишком высоких температурах ведёт к деградации аккумулятора. Вспомните, как раньше iPhone вырубался на сильном холоде. На морозе химические компоненты теряют свои свойства и не могут производить достаточного напряжения — в итоге телефон выключается. Максимальный ущерб батареи наносится во время зарядки на морозе.
Высокие температуры также негативно влияют на компоненты батарей. Необязательно использовать телефон в сауне или в жарких странах. Наши девайсы сильно нагреваются, когда мы нагружаем их тяжёлыми задачами. Игры, работа с фото или видео, навигация — всё это заставляет процессор и другие компоненты работать интенсивней и выделять больше тепла. Если подвергать смартфон интенсивной нагрузке и при этом заряжать его, мы неминуемо получим избыточный нагрев.
Чувствительность к интенсивному заряду или разряду
Быстрая зарядка ведёт к излишнему выделению тепла, а высокая температура вредит компонентам батареи.
Кроме того, быстрая зарядка может приводить к образованию дендритов на аноде. Дендриты — это такие волокна из металлического лития. Эти образования могут стать причиной замыкания и выхода из строя батареи.
Безусловно, это крайне экстремальный случай и производители стараются его не допустить. Для этого разрабатывают различные протоколы защиты от перегрева и замыкания. Но образование дендритов всё равно негативно влияет на ресурс батарей.
Интенсивный разряд также сопровождается выделением излишнего тепла. К тому же тепло выделяют и другие компоненты: процессор, экран и радиомодули. Всё это ведёт к перегреву батареи и её деградации.
Высокая цена
Литиевые аккумуляторы довольно дороги в производстве — по сравнению с другими типами аккумуляторов, конечно. Дело в том, что сам по себе литий — это редкоземельный металл, и стоит он недёшево. Производство литиевых аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде. А сами аккумуляторы способны сильно отравлять почву, поэтому их обязательно нужно перерабатывать.
Небезопасность
Литий — очень активный металл, и батареи на его основе могут очень ярко и звонко воспламеняться. Один из самых красноречивых примеров — Samsung Galaxy Note 7. Неправильно спроектированная батарея и ряд неудачных совпадений могут натворить беды.
Получается так, что литиевые аккумуляторы довольно дорогие, с прихотливыми и нежными компонентами, да ещё и загрязняют окружающую среду. И тут у вас должен созреть вопрос: если литиевые батареи настолько плохи, почему мы всё ещё ими пользуемся? Где новые изобретения, революционные наноматериалы? Мы же в XXI веке живём!
Одним из таких революционных материалов является графен.
Что такое графен?
По сути, графен — это углерод, а углерод невероятно распространённый элемент на Земле. Графит, алмаз, сажа, графен — всё это углерод, а точнее, его аллотропные формы. Химическая формула у них идентична — «С», но то, как атомы углерода соединены друг с другом, и определяет свойства материала.
Алмаз невероятно твёрдый, графит из грифеля карандаша легко можно сломать. Всё потому, что одни и те же атомы в графите и алмазе расположены по-разному.
Атомы в графене также расположены в пространстве особым образом. Во-первых, они выстроены толщиной в один атом. Во-вторых, атомы образуют шестиугольник, похожий на пчелиную соту:
Такая структура наделяет графен просто невероятными свойствами.
Графен — отличный проводник как электронов, так и тепла. Графен прочнее стали в 200 раз, при этом он невероятно гибкий, эластичный и почти прозрачный.
Из-за таких свойств графен получил огромную популярность в среде учёных: ему за пару лет придумали сотни сомнительных применений. В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помёт, чтобы проверить, как это отразится на его качествах.
Благодаря такому хайпу вокруг графена, на рынке появились графеновые куртки, платья, теннисные ракетки, машинное масло с графеном и ещё куча всякого бесполезного барахла, которое зачастую графена в своём составе не имело, а в лучшем случае графена добавляли сотые доли процента./imgs/2019/08/05/10/3497553/48e0a6d27c0f45a1b855f80a4a1965daf8472d2c.jpg)
Дело в том, что чистый графен — чрезвычайно дорогой материал:
- Один грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд;
- Один грамм графена, смешанного с пылью, стоит около $1000.
Может ли графен решить проблемы батарей?
До сих пор человечество не знает коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах. Высокая цена и трудности производства больших количеств графена — это одна из причин, почему мы не видим графеновых аккумуляторов в наших смартфонах. Но это не единственная причина. Использование графена в качестве катода или анода в батареях — не лучшая идея.
Именно поэтому графен не самый подходящий материал для долгосрочного хранения энергии.
В литиевых аккумуляторах заряд запасается за счёт того, что ионы лития проникают внутрь графитового анода и там прочно держатся. Этот процесс называется интеркаляцией. Литиевые аккумуляторы практически не подвержены саморазряду. Вы можете зарядить ваш Power Bank и через 2 месяца им воспользоваться.
Если мы возьмём батарею и вместо графита для изготовления анода применим графен, то ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. В таком случае ионы будут держаться за анод очень слабо, со временем ионы могут самопроизвольно покидать графен. В итоге мы получим саморазряд батарей.
Вариант, 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 оторвать много ионов и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Поэтому применение графена выглядит куда логичнее именно в суперконденсаторах, а вот для обычных аккумуляторов графен не особо подходит.
Но ведь графеновые аккумуляторы уже давно продаются
Мы регулярно слышим, что тот или иной стартап уже запустил в продажу графеновые Power Bank. Периодически проскакивают новости о том, что гиганты вроде Samsung уже буквально завтра начнут ставить в свои смартфоны графеновые батареи.
На самом деле это очередная маркетинговая уловка. В таких батареях графен применяется как добавка для улучшения тех или иных характеристик литиевых батарей.
Например, если мы добавим графен в электроды, то повысим их проводимость. По сути, это останется всё такой же литиевый аккумулятор, характеристики которого улучшены графеном на 5–10 %. Подобных продуктов уже полно на рынке. Одним из первых смартфонов на моей памяти с применением графена в батарее был Honor Magic. Но какими-то выдающимися характеристиками его батарея не запомнилась.
Не так давно Наташа уже делала видео про Power Bank с графеном:
По сути, графеновые Power Bank отличаются от обычных только быстрой зарядкой. По большому счёту эти «банки» всё так же греются при зарядке и имеют заурядную ёмкость.
Чисто графеновые батареи на данном этапе развития технологий — это, скорее, маркетинг на хайповой теме. А вот литиевые гибриды, в которых графен используется как вспомогательный компонент, давно применяются. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei и другие бренды вовсю добавляют графен в свои батареи.
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 не скачкообразное, а очень плавное и постепенное. И самое главное: технология литиевых аккумуляторов ещё не достигла своего предела, и, возможно, графен поможет раскрыть потенциал литиевых аккумуляторов на 100 %.
Ёмкость аккумуляторов
Нам кажется, что увеличения ёмкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли запасать порядка 100 Вт·ч/кг, спустя 20 лет постепенного развития эта величина удвоилась. На данный момент литиевые аккумуляторы могут запасать 200–240 Вт·ч/кг.
По мнению учёных, им удастся увеличить энергоёмкость до 400 Вт·ч/кг. И, вполне возможно, именно графен поможет приблизить этот показатель к реальности.
Скорость зарядки
Это ещё один важный параметр, который уже сейчас улучшают за счёт графена. Так как графен имеет низкое сопротивление и прекрасно проводит ток, компоненты с добавлением графена меньше греются. Кроме того, графен столь же хорошо проводит и тепло, благодаря этому нагрев компонентов батареи лучше рассеивается.
В последние годы мы видим, как стремительно развиваются технологии быстрой зарядки. Не так давно гремели презентации технологий быстрых зарядок мощностью 120 Вт. И вот совсем недавно Xiaomi показала зарядку мощностью 200 Вт, которая наполняет батарею Mi 11 Pro ёмкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, в батарее этого Mi 11 Pro не обошлось без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.
Чувствительность к температуре
Что пока не удалось значительно улучшить, так это чувствительность батарей к перепадам температуры и количество циклов заряда-разряда.
В этих вопросах пока даже графен животворящий особо помочь не может. Точнее, графен помогает частично нивелировать негативное воздействие перегрева, а вот с низкими температурами бороться у него не выходит.
Продление срока службы
Что касается увеличения количества циклов заряда-разряда, то тут в помощь приходит другой компонент — кремний. Он позволяет увеличить ресурс литиевых батарей до 300 %, но побочный эффект кремния — увеличение размеров аккумуляторов. В итоге батареи с кремнием либо будут иметь такую же ёмкость, как и сейчас, но при этом будут физически в несколько раз больше, либо мы можем сделать компактную и долгоживущую батарею, которая будет иметь маленькую ёмкость.
Итог
Если подытожить, то можно сказать, что аккумуляторные технологии не стоят на месте, да и резких скачков не происходит. Но постепенный и очень уверенный прогресс всё же идёт. Не стоит ожидать от графена каких-то магических свойств. Графен не приведёт к революционному скачку в развитии батарей и уж точно не заменит технологию литиевых аккумуляторов, а только дополнит её. Думаю, не зря Илон Маск делает ставку именно на литиевые батарейки. Tesla не просто так вкладывает огромные средства в развитие именно литиевых аккумуляторов.
Что ж, нам остаётся только запастись терпением и ждать, когда технологии станут более совершенными и батареи окончательно избавятся от своих последних слабых мест!
ТЯГОВЫЕ ГРАФЕНОВЫЕ АКБ CHILWEE серии BG. Товары и услуги компании «CHILWEE BATTERY RUSSIA»
ТЯГОВЫЕ ГРАФЕНОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ CHILWEE серии «ВLACK GOLD» (BG)Cозданы с использованием новейших технологий: нано-технологии графена и технологии силикон-геля.
Графен считается одним из лучших наноматериалов, доступных в настоящее время. Это самый тонкий и самый прочный материал на Земле – он в 150 раз прочнее стали и в 1000 раз легче, чем бумага. Благодаря обширным свойствам его называют «черным золотом» («Black Gold»). По оценкам экспертов к 2020 году использование графена в промышленности станет рынком в сотни миллиардов долларов и производство аккумуляторов – не исключение.
Основное различие между обычными АКБ и батареями на основе графена заключается в составе электродов. Производительность АКБ повышается за счет добавления графена в состав электродов. Как правило, электроды на основе традиционных материалов имеют ограничения по плотности, емкости, времени и количеству циклов, проводимости. Графен с лёгкостью преодолевает эти ограничения.
Графеновые аккумуляторы CHILWEE превзошли все аналоги тяговых свинцово-кислотных батарей, предназначенных для легких транспортных средств, как по достижению большей мощности, так и по увеличению предельной дальности поездки на транспортных средствах без подзарядки, и имеют чрезвычайно длительный срок службы.
Отличительные особенности графеновых аккумуляторов CHILWEE «BLACK GOLD» :❖ Уникальная структура корпуса и крышки, обеспечивающих превосходную эффективность отвода газа и уменьшенную скорость потери воды.
❖ Свинцовые пластины аккумуляторов надежно защищены от коррозии посредством использования специального сплава для материала сетки и специальной свинцовой пасты.
❖ Использование графена увеличило активность материалов, первичную мощность и срок службы аккумуляторов.
Преимущества:
- ёмкость увеличена на 10-15%
- жизненный цикл увеличен на 30%
- способность работать в условиях низкой и высокой температур улучшена на 40%
- скорость испарения воды снижена на 40%
- потенциал мощности увеличен на 15%
- специальное зарядное устройство обеспечивает полный заряд батарей и предотвращает перезаряд.
Срок службы аккумулятора зависит от того, насколько глубоко разряжается аккумулятор. Если при эксплуатации аккумулятора разряжать его полностью (глубокий разряд 75% и более процентов емкости), то количество доступных циклов будет минимальным, если же АКБ постоянно разряжать только на 50%, то количество циклов значительно возрастает. Ресурс тяговых гелевых CHILWEE BG — более 900 циклов при DOD-75% и 1200 циклов при DOD-60%.
Номенклатура аккумуляторов CHILWEE серии DZM
| Артикул | Вольт | Ёмкость (С5)* | Ёмкость (С20)* | Длина | Ширина | Высота | Вес |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6-DZM-13,1 | 12 | 15 | 18 | 151 | 101 | 98 | 4,45 |
| 6-DZM-13,3 | 12 | 15 | 18 | 151 | 99 | 97 | 4,45 |
| 6-DZM-22,2 | 12 | 26 | 30 | 181 | 78 | 172 | 7,1 |
| 6-DZM-22,3 | 12 | 26 | 30 | 181 | 77 | 170 | 7,17 |
| 6-EVF-35,3 | 12 | 37 | 42 | 267 | 78 | 170 | 10,3 |
* Примечание: В соответствии с ГОСТом и международными стандартами ёмкость АКБ, измеряемая в Ампер/Часах, определяется в зависимости от силы тока разряда и температуры.
При большой величине тока АКБ отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (малая величина тока). Поэтому на всех тяговых аккумуляторах имеются обозначения: ёмкость по С3, С5, С10 или С20. Ёмкость одной и той же батареи в зависимом от силы тока разряда разная: наименьшая – при 3-х часовом разряде (С3), наибольшая при 20 часовом (С20). Для большинства машин на автономных источниках электрической тяги актуальна ёмкость по С5 (выделено в таблице шрифтом).
С повышением температуры электролита емкость АКБ растет. При низких температурах емкость и полезное действие АКБ уменьшаются. Ёмкость АКБ Chilwee соответствует температуре +25С (российский национальный стандарт определяет +30С).
Графеновые батареи: введение и новости рынка
Графен и батареи
Графен, лист атомов углерода, связанных вместе в структуре сотовой решетки, широко известен как «чудо-материал» из-за множества удивительных свойств, которые он имеет. Это мощный проводник электрической и тепловой энергии, чрезвычайно легкий, химически инертный и гибкий с большой площадью поверхности.
Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для множества применений.
Преимущества графеновых батарей
В области батарей традиционные материалы электродов батарей (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении 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 отрицательно связано с количеством углерода, нанесенного на материал или добавленного к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимость, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.
Графен может различными способами улучшить такие характеристики батареи, как плотность энергии и форма. Литий-ионные батареи (и другие типы перезаряжаемых батарей) могут быть улучшены путем введения графена на анод батареи и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.
Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезно для улучшения качества батарей. Гибрид оксида ванадия (VO 2 ) и графена, например, может использоваться на литий-ионных катодах и обеспечивать быструю зарядку и разрядку, а также большую долговечность цикла зарядки.В этом случае VO 2 предлагает высокую энергоемкость, но низкую электропроводность, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которую можно прикрепить VO 2 — создавая гибридный материал, который имеет повышенную прочность. емкость и отличная проводимость.
Другой пример — батареи LFP (литий-железо-фосфатные), которые представляют собой перезаряжаемые литий-ионные батареи. У него более низкая плотность энергии, чем у других литий-ионных аккумуляторов, но более высокая плотность мощности (показатель скорости, с которой батарея может поставлять энергию).Усовершенствование катодов LFP графеном позволило батареям стать легкими, заряжаться намного быстрее, чем литий-ионные батареи, и иметь большую емкость, чем обычные батареи LFP.
В дополнение к революционным изменениям на рынке аккумуляторов совместное использование графеновых аккумуляторов и графеновых суперконденсаторов может дать потрясающие результаты, такие как отмеченная концепция увеличения дальности хода и эффективности электромобиля. Хотя графеновые батареи еще не получили широкого распространения, о прорыве в области батарей сообщают по всему миру.
Основные сведения об аккумуляторах
Аккумуляторы служат мобильным источником энергии, позволяя устройствам с электроприводом работать без прямого подключения к розетке. Несмотря на то, что существует много типов батарей, основная концепция их функционирования остается аналогичной: один или несколько электрохимических элементов преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую. Батарея обычно состоит из металлического или пластикового корпуса, содержащего положительную клемму (анод), отрицательную клемму (катод) и электролиты, которые позволяют ионам перемещаться между ними.Сепаратор (проницаемая полимерная мембрана) создает барьер между анодом и катодом для предотвращения электрических коротких замыканий, а также позволяет переносить ионные носители заряда, которые необходимы для замыкания цепи во время прохождения тока. Наконец, используется коллектор для проведения заряда вне батареи через подключенное устройство.
Когда цепь между двумя клеммами замыкается, батарея вырабатывает электричество в результате серии реакций.Анод подвергается реакции окисления, в которой два или более иона электролита объединяются с анодом с образованием соединения, высвобождая электроны. В то же время на катоде происходит реакция восстановления, в которой катодное вещество, ионы и свободные электроны объединяются в соединения. Проще говоря, анодная реакция производит электроны, в то время как реакция на катоде поглощает их, и в результате этого процесса вырабатывается электричество. Батарея будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока на электродах не закончатся вещества, необходимые для создания реакций.
Типы и характеристики батарей
Батареи делятся на два основных типа: первичные и вторичные. Первичные батареи (одноразовые) используются один раз и становятся непригодными, поскольку материалы электродов в них необратимо меняются во время зарядки. Распространенными примерами являются угольно-цинковые батареи, а также щелочные батареи, используемые в игрушках, фонариках и множестве портативных устройств. Вторичные батареи (перезаряжаемые) можно разряжать и перезаряжать несколько раз, поскольку исходный состав электродов может восстановить работоспособность.Примеры включают свинцово-кислотные батареи, используемые в транспортных средствах, и литий-ионные батареи, используемые для портативной электроники.
Батареи бывают разных форм и размеров для множества различных целей. У разных типов батарей есть разные преимущества и недостатки. Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы имеют относительно низкую удельную энергию и используются там, где важны долгий срок службы, высокая скорость разряда и экономичная цена. Их можно найти, среди прочего, в видеокамерах и электроинструментах. Никель-кадмиевые батареи содержат токсичные металлы и вредны для окружающей среды.Никель-металлогидридные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем никель-кадмиевые, но также более короткий срок службы. Приложения включают мобильные телефоны и ноутбуки. Свинцово-кислотные батареи тяжелые и играют важную роль в приложениях с большой мощностью, где не важен вес, а экономическая цена. Они широко используются в больничном оборудовании и аварийном освещении.
Литий-ионные (Li-ion) батареи используются там, где важны высокая энергия и минимальный вес, но технология хрупкая, и для обеспечения безопасности требуется схема защиты.Приложения включают сотовые телефоны и различные типы компьютеров. Литий-ионно-полимерные (литий-ионные полимерные) аккумуляторы в основном используются в мобильных телефонах. Они легкие и имеют более тонкую форму, чем литий-ионные батареи. Кроме того, они обычно более безопасны и живут дольше. Однако они кажутся менее распространенными, поскольку литий-ионные батареи дешевле в производстве и имеют более высокую плотность энергии.
Батареи и суперконденсаторы
Хотя есть определенные типы батарей, которые способны накапливать большое количество энергии, они очень большие, тяжелые и медленно выделяют энергию.Конденсаторы, с другой стороны, могут быстро заряжаться и разряжаться, но содержат гораздо меньше энергии, чем аккумулятор. Однако использование графена в этой области открывает новые захватывающие возможности для хранения энергии с высокими скоростями заряда и разряда и даже с экономической доступностью. Таким образом, улучшенные характеристики графена стирают традиционную грань между суперконденсаторами и батареями.
Графеновые батареи сочетают в себе преимущества как батарей, так и суперконденсаторов
Графеновые батареи почти здесь
Графеновые батареи имеют потрясающий потенциал, и, хотя они еще не полностью коммерчески доступны, исследования и разработки интенсивны и, мы надеемся, дадут результаты в будущее.Компании по всему миру (включая Samsung, Huawei и другие) разрабатывают различные типы батарей с улучшенным графеном, некоторые из которых сейчас выходят на рынок. Основные области применения — электромобили и мобильные устройства.
В некоторых батареях графен используется периферийно, но не в химии батарей. Например, в 2016 году Huawei представила новую литий-ионную батарею с улучшенным графеном, в которой используется графен, чтобы сохранять работоспособность при более высоких температурах (60 ° градусов по сравнению с существующим пределом в 50 °) и предлагать удвоенное время работы.Для лучшего отвода тепла в этом аккумуляторе используется графен — он снижает рабочую температуру аккумулятора на 5 градусов.
Дополнительная литература
Что это такое и почему они так важны?
Аккумуляторы для смартфонов в наши дни довольно хороши. Но если есть одна вещь, которую любители гаджетов никогда не смогут насытиться, так это обещание более длительного времени автономной работы. Разве не было бы замечательно, если бы наши телефоны продержались два или три полных дня интенсивного использования всего за одну зарядку? А как насчет целой недели? С графеновыми батареями это могло быть не такой уж несбыточной мечтой.
Руководство покупателя: Лучшие блоки питания, которые можно купить
Графеновые батареи еще не используются в смартфонах и других гаджетах, хотя, по слухам, Samsung над чем-то работает. В будущем графен может стать материалом, который заменит литий-ионные батареи, от которых технологическая промышленность стала так полагаться на протяжении десятилетий.
Мы уже несколько раз писали о графене здесь, в Android Authority. Это похоже на одну из тех технологий, многообещающих, но она всегда не за горами.После многих лет ожидания мы, кажется, приближаемся к коммерциализации графеновых технологий. На рынки начинают поступать первые потребительские товары, такие как аккумуляторы из графенового композита (с использованием графена для улучшения химических свойств), и есть еще много чего, что можно встретить в самых разных отраслях промышленности.
Вот все, что вам нужно знать о графеновых батареях.
Что такое графеновая батарея?
Прежде чем углубляться в графеновую батарею, стоит быстро вспомнить, что такое графен и как он работает.
Вкратце, графен представляет собой композицию атомов углерода, прочно связанных в гексагональную или сотовую структуру. Что делает графен таким уникальным, так это то, что эта структура имеет толщину всего один атомный слой, что, по сути, делает графеновый лист двумерным. Эта двухмерная структура обладает очень интересными свойствами, включая превосходную электрическую и теплопроводность, высокую гибкость, высокую прочность и малый вес. Что нас особенно интересует, так это электрическая и теплопроводность, которая на самом деле превосходит медь — один из наиболее часто используемых проводящих металлов.
Суперконденсаторы позволяют батареям работать намного дольше и заряжаться почти мгновенно.
Что касается батарей, возможности графена можно использовать разными способами. Идеальное использование графена в качестве батареи — это «суперконденсатор». Суперконденсаторы накапливают ток так же, как традиционные батареи, но могут заряжаться и разряжаться невероятно быстро.
Нерешенный трюк с графеном заключается в том, как экономично массово производить сверхтонкие листы для использования в батареях и других технологиях.В настоящее время производственные затраты непомерно высоки, но исследования помогают сделать графеновые батареи реальностью.
Еще в 2017 году компания Samsung объявила о прорыве, создав «графеновый шар». Хотя с тех пор мы больше ничего не слышали. Совсем недавно выяснилось, что Telsa, как сообщается, также заинтересована в технологии автомобильных аккумуляторов. Точно так же китайский производитель автомобилей GAC планирует установить свою технологию графеновых аккумуляторов в своем первом автомобиле в сентябре 2021 года, и растет энтузиазм по поводу потенциального диапазона, предлагаемого графеновыми алюминиево-ионными элементами.Мы постепенно приближаемся к коммерческой жизнеспособности, но все еще далеки от массового внедрения графеновых батарей. Альтернативы графеновому композиту, хотя и дешевле, быстрее выходят на рынок.
Графен и литий-ионный
Как и литий-ионные (Li-ion) батареи, в графеновых элементах используются две проводящие пластины, покрытые пористым материалом и погруженные в раствор электролита. Но хотя их внутренняя структура очень похожа, эти две батареи обладают разными характеристиками.
Графен обладает более высокой электропроводностью, чем литий-ионные батареи. Это позволяет производить более быструю зарядку ячеек, которые также могут обеспечивать очень высокие токи. Это особенно полезно, например, для автомобильных аккумуляторов большой емкости или быстрой зарядки между устройствами. Высокая теплопроводность также означает, что батареи работают меньше, что продлевает срок их службы даже в тесных корпусах, таких как смартфон.
Графеновые батареи также легче и тоньше, чем современные литий-ионные элементы.Это означает меньшие, более тонкие устройства или большую емкость без необходимости в дополнительном пространстве. Не только это, но графен позволяет использовать гораздо более высокие емкости. Литий-ионный аккумулирует до 180 Втч энергии на килограмм, в то время как графен может хранить до 1000 Втч на килограмм.
Наконец, графен безопаснее. Хотя литий-ионные батареи имеют очень хорошие показатели безопасности, было несколько серьезных инцидентов, связанных с неисправными продуктами. Перегрев, перезаряд и проколы могут вызвать химический дисбаланс в литий-ионных батареях, что приведет к возгоранию.Графен гораздо более стабильный, гибкий и прочный, а также более устойчивый к таким проблемам.
Вам не обязательно иметь одно или другое. Литий-ионные батареи могут использовать графен для улучшения характеристик катодного проводника. Они известны как гибриды графена и оксида металла или батареи из графенового композита. Гибридные аккумуляторы имеют меньший вес, более быстрое время зарядки, большую емкость и более длительный срок службы, чем современные аккумуляторы. Первые графеновые батареи потребительского класса представляют собой гибриды, такие как блок питания из графенового композита на видео в верхней части этой статьи.
Подробнее: Лучшие альтернативы литий-ионной технологии
Что означают графеновые батареи для смартфонов
Райан-Томас Шоу / Android Authority
Смартфоны будущего, оснащенные графеновыми элементами питания, будут демонстрировать преимущества, описанные выше. Трубки, аккумуляторы и т.п. могут заряжаться так же быстро или даже быстрее, чем современные технологии быстрой зарядки, представленные на рынке. Время автономной работы также должно хватить на день или два, если не дольше, а устройства могут быть тоньше и легче, чем сейчас.
Переход на графен может обеспечить 60% или больше емкости по сравнению с литий-ионным аккумулятором того же размера. Более прохладные батареи в сочетании с лучшим теплоотводом продлят срок службы устройства. Вам не нужно будет платить за замену дорогих батарей через пару лет, чтобы ваши старые устройства работали в отличном состоянии.
Не пропустите: как продлить время автономной работы вашего телефона Android
Графеновые батареи позволят сделать смартфоны тоньше или обеспечить большую емкость аккумулятора при сохранении их нынешних размеров.Есть также интересные последствия для быстрой зарядки между устройствами. Благодаря батареям, способным выдерживать очень высокие токи и молниеносно быстрому перезарядке и разрядке, гаджеты могут заряжать друг друга на сверхбыстрых скоростях.
Хотя технология портативных графеновых аккумуляторов еще далека от будущего, это заманчивая перспектива для будущих смартфонов, гаджетов, электромобилей и многого другого. К счастью, продукты из гибридного графена уже здесь, и в ближайшие месяцы и годы они должны стать еще более распространенными и доступными.Графен — определенно технология, за которой нужно следить.
Если графеновые батареи делают все, что говорят ученые, они могут изменить правила игры — NanoGraf Corporation
Представьте, что вы едете по автостраде на своем новом электромобиле, оснащенном новейшей графеновой батареей. Вы замечаете, что у вас заканчивается сок, поэтому вы останавливаетесь на остановке для отдыха, включаете его и идете внутрь, чтобы взять пиццу.
К тому времени, когда вы закончите и выйдете на улицу, ваша машина уже почти заряжена — и готова к очередным непрерывным 300 милям.
Это будущее транспорта, которое, как обещают некоторые звездные ученые, скоро наступит. Они говорят, что благодаря сверхмощным батареям с графеном — листом углерода толщиной всего в один атом — все, от электроинструментов до электромобилей, будет заряжаться быстрее, сохранять больше энергии, стоить меньше и, возможно, даже поможет цивилизации наконец отойти от разрушающего планету ископаемого топлива. . И эти чудесные батареи могут начать выпускаться, говорят они, где-то в следующем году.
«Графен — удивительный материал, и он особенно хорош как материал для батарей», — сказал Futurism Чип Брайтенкамп, ученый-полимер и вице-президент по развитию бизнеса компании NanoGraf, производящей графеновые батареи.По его словам, эта технология может «заставить батареи заряжаться быстрее и более эффективно рассеивать тепло. Это имеет большое значение. Это означает, что электроинструменты не так быстро перегреваются. Это означает, что бытовая техника служит семьям лучше и дольше. И в конечном итоге это означает, что электромобили могут заряжаться быстрее ».
«По сути, графен может играть центральную роль в обеспечении устойчивого электрического будущего», — добавил Брайтенкамп.
Быстрая зарядка — не единственное преимущество. В лаборатории NanoGraf заявляет, что ее графеновые батареи показывают увеличение времени работы на 50 процентов по сравнению с обычными литий-ионными батареями, сокращение выбросов углекислого газа на 25 процентов и половину веса, необходимого для обеспечения такой же мощности.
Основная идея сводится к химии. В течение десятилетий производители аккумуляторов предпочли литий кремнию, потому что он обладает высокой электрической емкостью. Но у лития есть две ключевые проблемы. Он плохо проводит электричество и имеет тенденцию к физической деформации при разряде, в конечном итоге срезая и растрескиваясь. Смешивание или покрытие лития графеном или, в последнее время, родственными наноматериалами, такими как оксиды графена и восстановленные оксиды графена, решает обе проблемы. Графен обладает высокой проводимостью, позволяющей течь электричеству, и жестким, поэтому он помогает литию сохранять форму, позволяя батарее прослужить дольше.
«Графен обладает очень высокой электронной проводимостью, поэтому, когда вы помещаете его в кремниевый анод, проводимость действительно возрастает», — сказал Futurism Христос Атанасиу, инженер из Университета Брауна, опубликовавший исследование графеновых батарей. «И у графена действительно хорошие механические свойства — он действительно очень прочный. Поэтому, когда у вас расширяется анод, графен существенно препятствует этим изменениям объема, поэтому он не позволяет кремниевому аноду расширяться настолько, чтобы он не сломался.
Еще одно преимущество: поскольку прочность графена обеспечивает батареям намного больше жизненных циклов, чем обычная батарея, по словам защитников, они могут «подтолкнуть» их сильнее и заряжать их быстрее с помощью более мощного электрического тока. Они будут разлагаться быстрее, но их большое количество циклов разряда по-прежнему продлевает срок их службы по сравнению с обычными батареями.
Nanograf — не единственный стартап, который заявляет, что ориентируется на практичную графеновую батарею. Самуэль Гонг, генеральный директор компании Real Graphene, сказал Futurism, что, по его мнению, технология его компании может зарядить автомобиль менее чем за час.
«У нас также есть больший бюджет жизненных циклов, которым мы можем пожертвовать, потому что люди, скорее всего, хранят свои продукты не дольше нескольких лет», — сказал Гонг. «В некотором смысле графеновая батарея может выдержать гораздо большее наказание, что обеспечивает дополнительный жизненный цикл. Мы можем сделать это намного сильнее ».
В результате, по его словам, получилась дешевая батарея с значительно увеличенной энергоемкостью и производительностью.
«Я считаю, [графеновые батареи] столь же важны для развития технологий, как и что-то вроде пластика, — сказал Гонг, — где в будущем они могут быть применены практически ко всему.”
Обещания огромны, но в то же время конкретные претензии могут начать выглядеть нечеткими. Nanograf говорит, что уже работает с производителем электроинструментов и компанией, которая производит аккумуляторы для электромобилей, чтобы вывести свою технологию на рынок, но не может назвать конкретных партнеров.
И Гонг сообщил нам, что Real Graphene уже пилотирует автобусы, работающие на батареях Graphene, в Шанхае, Китай, но когда мы попросили подробностей о программе, например, кто управляет автобусами и соответствуют ли батареи своим внушительным техническим обещаниям, он отказался от комментариев.
В более широком смысле, графен был впервые выделен в 2004 году. Зачем было нужно вкладывать его во все, что сейчас ?
«Последние 15-20 лет, в основном, все сообщество накопителей энергии проделало большую работу над тем, как сделать хороший нанокомпозитный материал, как сделать этот кремний-графеновый анод желаемыми свойствами», — сказал Атанасиу. «Итак, в последние годы стало легче производить графен, и появились другие наноматериалы на основе графена, такие как оксид графена.
«Эти наноматериалы обладают еще лучшими свойствами», — добавил он. «Оксид графена, например, лучше смешивается с кремнием. А потом выяснилось, что когда вы используете восстановленный оксид графена, он обладает еще лучшими свойствами ».
Другими словами, графен уже много лет находится в постоянном состоянии, «почти готовым произвести революцию в мире». Но в связи с тенденцией к снижению производственных затрат несколько стартапов заявили Futurism, что их батареи будут продаваться в небольших устройствах, таких как электроинструменты, уже в следующем году.После этого они планируют стать еще более амбициозными.
«Аккумуляторы, которые используются в электромобилях, требуют чрезвычайно длительных циклов испытаний», — сказал Futurism Брайтенкамп из NanoGraf. «Итак, вы можете себе представить, что эти батареи необходимо тестировать как минимум в течение трех-четырех лет. Речь идет не о том, чтобы наши технологии работали в электромобиле прямо сейчас. Мы полностью уверены, что это так, но это вопрос всех проверок, необходимых для использования электромобиля ».
«Дело не в том, работает ли он, а в том, сколько времени пройдет, прежде чем он получит одобрение таких вещей, как безопасность и долговечность», — добавил Брайтенкамп.
Возможно, графеновые батареи вызывают интерес не только у стартапов. Фактически, несколько экспертов, опрошенных для этой истории, предположили, что Тесла может тайно экспериментировать с той же технологией, хотя все они подчеркивали, что теория была всего лишь предположением.
«Я не сомневаюсь, что Tesla работает над такой технологией», — сказал Гонг, добавив, что создание достаточно мощных зарядных устройств может быть более сложной задачей, чем изготовление самих графеновых батарей.
«Возможно, они это сделают, но все это сверхсекретно», — сказал Афанасиу. «Никто за пределами компании об этом не узнает».
Компания Tesla, которая недавно распустила весь свой отдел по связям с общественностью, не ответила на вопросы футуризма или просьбу о комментариях. Но независимо от того, работает ли Tesla над графеновыми батареями, существует множество технических проблем, которые необходимо решить, прежде чем они станут полезными в качестве потребительского продукта.
Одна практическая проблема, по словам Гонга, будет заключаться в том, что если крупному автомобилестроителю удастся разработать готовые к рынку графеновые батареи, огромная потребность в зарядке может привести к полной перегрузке электрической инфраструктуры.
«Электросеть с трудом справляется даже с тем, что у нас есть прямо сейчас, по крайней мере, когда мы говорим о районе залива. Это просто то, чего я не вижу, просто потому, что это такая большая сила », — сказал Гонг. «Это не просто строительство атомной электростанции и утверждение, что у нас есть энергия. Это еще и подача электроэнергии: сможет ли городская проводка выдержать этот скачок напряжения ».
Есть еще, все признают, еще есть технические проблемы, которые необходимо решить. Во-первых, сказал Брейтенкамп, слишком сильное нажатие на батареи может вызвать такие проблемы, как ползучесть дендритов — по сути, внутреннее короткое замыкание.Но несколько экспертов сказали, что ползучесть дендритов в футуризме может быть решена, если вы догадались, с большим количеством графена.
Тем не менее, даже если добавление большего количества графена блокирует ползучесть дендритов, существуют сохраняющиеся производственные проблемы. Разные компании используют разные приемы, чтобы покрыть или внедрить батареи в графен, но согласованность является проблемой независимо от методологии.
Короче говоря, сказал Атанасиу, ученые могут создавать действительно хорошие прототипы в лаборатории, но переход к массовому производству готовой продукции — это совершенно отдельная задача.
«Я могу сказать вам, что наука существует», — сказал Афанасиу. «Однако технологически он еще не готов. Мы знаем, как изготавливать эти нанокомпозитные кремниевые графены, но как сделать их воспроизводимыми — это большая проблема ».
И, конечно же, есть шумиха, которая продвигает графен вперед и поддерживает к нему интерес с момента его открытия. Его превратили в куртки, рекламировали как источник бесконечного электричества и даже как способ мгновенного опреснения воды.
Частично это связано с необходимостью того, чтобы ученые заинтересовались своей работой, — сказал Грег Лесс, технический директор Лаборатории пользователей батарей Института энергетики Мичиганского университета. Но он также сказал, что не уверен, насколько полезными окажутся графеновые батареи. Он пояснил, что графен не является предметом особой компетенции Менса, но подозревает, что это может исчезнуть в виде еще одной причуды.
В качестве примера он привел углеродные нанотрубки — «чудо-материал» прошлого.Углеродные нанотрубки — это, по сути, просто кусочки графена, свернутые в трубки, и было сделано много смелых заявлений о том, как это также революционизирует общество.
«[Графен] сейчас довольно интересный материал, — сказал Лесс. «Будут ли улучшения? Ага. Достаточно ли этих улучшений, чтобы заменить более дешевый и доступный вариант? Возможно нет. Может быть. Я не знаю. Я не знаю.»
Короче говоря, шумиха вокруг графена заслоняет его будущее. Трудно отделить реальную полезность наноматериала от благих намерений, которые в конечном итоге потерпят неудачу.Но нам нужно как-то очистить нашу экологическую деятельность, и если мы хотим предотвратить самые разрушительные последствия изменения климата, нам, возможно, понадобится один или два длинных снимка, Богородица. Если хотя бы часть того, что сторонники графена считают возможным, в конечном итоге произойдет, это действительно станет ценным оружием в борьбе с ископаемым топливом.
«Мы просто рады видеть, что электрификация стала реальностью», — сказал Брайтенкамп о потенциале графена для революции в электромобилях. «Последние десять лет это казалось незнакомым.Возможность сделать машину, достаточно доступную для того, чтобы поставить ее в гараж, изменит многое. Это изменит представление об изменении климата и даже о рабочих местах ».
Графен для батарей, суперконденсаторов и др.
Ся, Дж., Чен, Ф., Ли, Дж. И Тао, Н. Измерение квантовой емкости графена. Нат. Nanotechnol. 4 , 505–509 (2009). Это исследование установило метод прямого измерения квантовой емкости графена, который говорит нам о максимальной (теоретической) удельной емкости, которую может достичь графен.
CAS Google ученый
Wang, G. et al. . Нанокомпозит Sn / графен с трехмерной архитектурой для улучшенного обратимого хранения лития в литий-ионных батареях. J. Mater. Chem. 19 , 8378–8384 (2009).
CAS Google ученый
Ким, Х., Парк, К. Ю., Хонг, Дж. И Канг, К. Полностью графеновая батарея: устранение разрыва между суперконденсаторами и литий-ионными батареями. Sci. Отчет 4 , 5278 (2014).
CAS Google ученый
Феррари А.С. и др. . Дорожная карта науки и технологий для графена, связанных двумерных кристаллов и гибридных систем. Наноразмер 7 , 4598–4810 (2015). Исчерпывающий обзор, описывающий физику и химию графена и выделяющий наиболее многообещающие результаты и приложения, достигнутые к настоящему времени.
CAS Google ученый
Луо, Дж., Джанг, Х. Д. и Хуанг, Дж. Влияние морфологии листа на масштабируемость ультраконденсаторов на основе графена. САУ Нано 7 , 1464–1471 (2013).
CAS Google ученый
Чуа, К. К. и др. . Синтез сильно флуоресцентных квантовых точек графена бакминстерфуллереном, открывающим клетку. ACS Nano 9 , 2548–2555 (2015).
CAS Google ученый
Hassan, M. et al. . Квантовые точки графена с обогащенными краями для усиления фотолюминесценции и сверхемкости. Наноразмер 6 , 11988–11994 (2014).
CAS Google ученый
Лю, В. В., Фэн, Ю. К., Янь, X. Б., Чен, Дж. Т., Сюэ, К.J. Превосходные микро-суперконденсаторы на основе графеновых квантовых точек. Adv. Funct. Матер. 23 , 4111–4122 (2013).
CAS Google ученый
Yeh, T. F., Teng, C. Y., Chen, S. J. и Teng, H. Квантовые точки оксида графена, легированные азотом, в качестве фотокатализаторов для общего расщепления воды при освещении видимым светом. Adv. Матер. 26 , 3297–3303 (2014).
CAS Google ученый
Ченг, Х., Ху, К., Чжао, Ю. и Цюй, Л. Графеновое волокно: новая материальная платформа для уникальных приложений. NPG Asia Mater. 6 , e113 (2014).
CAS Google ученый
Kou, L. et al. . Коаксиальные суперконденсаторы из пряжи мокрого прядения для высокой плотности энергии и безопасной носимой электроники. Нат. Commun. 5 , 3754 (2014).
CAS Google ученый
Ю, Д. и др. . Масштабируемый синтез иерархически структурированных углеродных нанотрубок – графеновых волокон для емкостного хранения энергии. Нат. Nanotechnol. 9 , 555–562 (2014).
CAS Google ученый
Ан, Й., Чон, Й., Ли, Д. и Ли, Й. Наноструктура медных нанопроволок – графеновое ядро – оболочка для высокостабильных прозрачных проводящих электродов. ACS Nano 9 , 3125–3133 (2015).
CAS Google ученый
Чжоу М. и др. . Высокопроводящие пористые композиты графен / керамика для передачи тепла и хранения тепловой энергии. Adv. Funct. Матер. 23 , 2263–2269 (2013).
CAS Google ученый
Bi, H. et al. . Губчатый графен как высокоэффективный и пригодный для вторичной переработки сорбент масел и органических растворителей. Adv. Funct. Матер. 22 , 4421–4425 (2012).
CAS Google ученый
Якус А.Э. и др. . Трехмерная печать графеновых каркасов с высоким содержанием для электронных и биомедицинских приложений. ACS Nano 9 , 4636–4648 (2015). Эта работа демонстрирует печать трехмерных архитектур с высоким содержанием графена, что позволяет изготавливать электроды с высокой электропроводностью.Это может быть использовано при разработке и производстве широкого спектра функциональных электронных, биологических и биоэлектронных медицинских и немедицинских устройств.
CAS Google ученый
Ян, З. и др. . Прогресс в создании и применении трехмерных пористых нанокомпозитов на основе графена. Наноразмер 7 , 5563–5577 (2015).
CAS Google ученый
Тиббитс, С.4D-печать: изменение формы из разных материалов. Archit. Дизайн 84 , 116–121 (2014).
Google ученый
Ли, Д., Мюллер, М. Б., Гилье, С., Канер, Р. Б. и Уоллес, Г. Г. Обрабатываемые водные дисперсии графеновых нанолистов. Нат. Nanotechnol. 3 , 101–105 (2008).
CAS Google ученый
Li, Z., Лю, З., Сан, Х. и Гао, К. Сверхструктурированная сборка наноуглеродов: фуллерены, нанотрубки и графен. Chem. Ред. 115 , 7046–7117 (2015).
CAS Google ученый
Шао, Й., Ван, Х., Чжан, К. и Ли, Й. Изготовление пленок фото восстановленного оксида графена с большой площадью и высокой кристалличностью с помощью реконструированных двумерных многослойных структур. NPG Asia Mater. 6 , e119 (2014).
CAS Google ученый
Чжоу М. и др. . Высокопроизводительные кремниевые аккумуляторные аноды, созданные на основе инженерных графеновых сборок. Nano Lett. 15 , 6222–6228 (2015).
CAS Google ученый
Hwang, J. Y. и др. . Непосредственная подготовка и обработка электродов из нанокомпозита графен / RuO2 для высокоэффективного емкостного накопления энергии. Nano Energy 18 , 57–70 (2015).
CAS Google ученый
Ван, Дж. и др. . Покрытие стержня: для изготовления однородных пленок восстановленного оксида графена на большой площади для гибких сенсорных экранов. Adv. Матер. 24 , 2874–2878 (2012).
CAS Google ученый
Ху, Л., Ву, Х. и Цуй, Ю.Печатные накопители энергии путем объединения электродов и разделителей в отдельные листы бумаги. Заявл. Phys. Lett. 96 , 183502 (2010).
Google ученый
Чой, Дж. Х. и др. . Многослойный электрод с агрегатами нано-Li4Ti5O12, зажатыми между углеродными нанотрубками и графеновыми сетками для мощных литий-ионных аккумуляторов. Sci. Отчет 4 , 7334 (2014).
CAS Google ученый
Чжан Ю. и др. . Тонкое покрытие на основе оксида графена на сепараторе: эффективный барьер для высокостабильных литий-серных батарей. 2D Mater. 2 , 024013 (2015).
Google ученый
Ким Д. Ю. и др. . Самовосстановление пленок восстановленного оксида графена сверхзвуковым кинетическим напылением. Adv. Funct. Матер. 24 , 4986–4995 (2014).
CAS Google ученый
Синь, Г. и др. . Отдельностоящая графеновая бумага большой площади для превосходного управления температурой. Adv. Матер. 26 , 4521–4526 (2014).
CAS Google ученый
Робертс М. и др. . Литий-ионные батареи 3D — от основы до изготовления. J. Mater. Chem. 21 , 9876–9890 (2011).
CAS Google ученый
Le, L.Т., Эрвин, М. Х., Цю, Х., Фукс, Б. Э. и Ли, У. Й. Электроды графенового суперконденсатора, изготовленные методом струйной печати и термического восстановления оксида графена. Electrochem. Commun. 13 , 355–358 (2011).
CAS Google ученый
Xu, Y. et al. . Тонкопленочный суперконденсатор для трафаретной печати с использованием чернил графена / полианилина. Adv. Energy Mater. 3 , 1035–1040 (2013).
CAS Google ученый
Секор, Э. Б. и др. . Глубокая печать графена для гибкой электроники большой площади. Adv. Матер. 26 , 4533–4538 (2014).
CAS Google ученый
Натан М. и др. . Трехмерные тонкопленочные литий-ионные микробатареи для автономных МЭМС. J. Microelectromech.Syst. 14 , 879–885 (2005).
CAS Google ученый
Миллер, Дж. Р., Аутло, Р. А. и Холлоуэй, Б. С. Двухслойный графеновый конденсатор с функцией фильтрации переменного тока. Наука 329 , 1637–1639 (2010). Первое исследование по использованию графеновых конденсаторов EDL для линейной фильтрации переменного тока (120 Гц) с использованием вертикально ориентированных листов графена, выращенных непосредственно на никелевой подложке.
CAS Google ученый
Шэн, К., Sun, Y., Li, C., Yuan, W. & Shi, G. Сверхвысокоскоростные суперконденсаторы на основе электрохимически восстановленного оксида графена для сетевой фильтрации переменного тока. Sci. Отчет 2 , 247 (2012).
Google ученый
Лин, Дж. и др. . Трехмерные микросуперконденсаторы на основе коврового покрытия из графеновых углеродных нанотрубок с высокими электрохимическими характеристиками. Nano Lett. 13 , 72–78 (2012).
Google ученый
Wu, Z.С., Лю, З., Парвез, К., Фенг, X. и Мюллен, К. Ультратонкие графеновые суперконденсаторы с возможностью печати и фильтрацией линии переменного тока. Adv. Матер. 27 , 3669–3675 (2015).
CAS Google ученый
Курра Н., Хота М. К. и Альшариф Х. Н. Проводящие полимерные микроконденсаторы для гибкого накопления энергии и сетевой фильтрации переменного тока. Nano Energy 13 , 500–508 (2015).
CAS Google ученый
Натан, А. и др. . Гибкая электроника: следующая повсеместная платформа. Proc. IEEE 100 , 1486–1517 (2012).
Google ученый
Шетс, Дж. Р. Вопросы производства и коммерциализации органической электроники. J. Mater. Res. 19 , 1974–1989 (2004).
CAS Google ученый
Ван, Х. и Ши, Г.Гибкие графеновые устройства, связанные с преобразованием и хранением энергии. Energy Environ. Sci. 8 , 790–823 (2015).
CAS Google ученый
Шао, Ю. и др. . Материалы на основе графена для гибких суперконденсаторов. Chem. Soc. Ред. 44 , 3639–3665 (2015).
CAS Google ученый
Роджерс, Дж.А., Сомея Т. и Хуанг Ю. Материалы и механика растягиваемой электроники. Наука 327 , 1603–1607 (2010).
CAS Google ученый
Чен, Т., Сюэ, Й., Рой, А. К. и Дай, Л. Прозрачные и растяжимые высокопроизводительные суперконденсаторы на основе морщинистых графеновых электродов. ACS Nano 8 , 1039–1046 (2013).
Google ученый
Йост, К., Дион, Г. и Гогоци, Ю. Текстильные накопители энергии в перспективе. J. Mater. Chem. А 2 , 10776–10787 (2014).
CAS Google ученый
Ю. Г. и др. . Наноструктурированный текстиль графен / MnO2, обработанный на растворе, для высокоэффективных электрохимических конденсаторов. Nano Lett. 11 , 2905–2911 (2011).
CAS Google ученый
Meng, Y. и др. . Полностью графеновые микроволокна сердцевина-оболочка для твердотельных растягиваемых волокнистых суперконденсаторов и носимых электронных тканей. Adv. Матер. 25 , 2326–2331 (2013).
CAS Google ученый
Факкетти, А. и Маркс, Т. Дж. Прозрачная электроника: от синтеза к приложениям (Wiley, 2010).
Google ученый
Ян Ю. и др. . Прозрачные литий-ионные аккумуляторы. Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 13013–13018 (2011).
CAS Google ученый
Li, N., Chen, Z., Ren, W., Li, F. и Cheng, H.M. Гибкие литий-ионные батареи на основе графена со сверхбыстрой зарядкой и разрядкой. Proc. Natl Acad. Sci. США 109 , 17360–17365 (2012).
CAS Google ученый
Линь, М.С. и др. . Сверхбыстрый перезаряжаемый алюминиево-ионный аккумулятор. Природа 520 , 324–328 (2015).
CAS Google ученый
Ye, M. et al . Уникальная структура графена-графена в качестве анода без связующего для высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Малый 10 , 5035–5041 (2014).
CAS Google ученый
Гвон, Х. и др. . Гибкие накопители энергии на основе графеновой бумаги. Energy Environ. Sci. 4 , 1277–1283 (2011).
CAS Google ученый
Эль-Кади, М. Ф., Стронг, В., Дубин, С. и Канер, Р. Б. Лазерная разметка высокоэффективных и гибких электрохимических конденсаторов на основе графена. Наука 335 , 1326–1330 (2012).
CAS Google ученый
Гао, W. и др. . Прямая лазерная запись микроконденсаторов на пленках гидратированного оксида графита. Нат. Nanotechnol. 6 , 496–500 (2011).
CAS Google ученый
Карим М. Р. и др. . Нанолист из оксида графена с высокой протонной проводимостью. J. Am. Chem. Soc. 135 , 8097–8100 (2013).
CAS Google ученый
Хатакеяма, К. и др. . Протонная проводимость нанолистов оксида графена: однослойных, многослойных и модифицированных нанолистов. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 53 , 6997–7000 (2014).
CAS Google ученый
Zhang, Q. et al. . Аномальное емкостное поведение твердотельных суперконденсаторов на основе оксида графена. Nano Lett. 14 , 1938–1943 (2014).
CAS Google ученый
Ян Х., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L. & Li, D. Плотная интеграция графеновых материалов, опосредованная жидкостью, для компактного емкостного накопления энергии. Наука 341 , 534–537 (2013).
CAS Google ученый
Xu, Y. et al. . Дырчатые графеновые каркасы для высокоэффективного емкостного накопления энергии. Нат. Commun. 5 , 4554 (2014).
CAS Google ученый
Эль-Кады, м.F. и др. . Разработка трехмерных гибридных суперконденсаторов и микросуперконденсаторов для высокопроизводительных интегрированных накопителей энергии. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , 4233–4238 (2015).
CAS Google ученый
Ли, Х., Янилмаз, М., Топракчи, О., Фу, К. и Чжан, X. Обзор последних разработок в области мембранных сепараторов для литий-ионных аккумуляторных батарей. Energy Environ.Sci. 7 , 3857–3886 (2014).
CAS Google ученый
Хуанг, Дж. К. и др. . Селективная мембрана из оксида графена для высокостабильных литий-серных батарей с защитой от саморазряда. ACS Nano 9 , 3002–3011 (2015).
CAS Google ученый
Наир, Р. Р., Ву, Х. А., Джаярам, П. Н., Григорьева, И.В. и Гейм, А. К. Беспрепятственное проникновение воды через гелиевые герметичные мембраны на основе графена. Наука 335 , 442–444 (2012).
CAS Google ученый
Джоши Р. К. и др. . Точное и сверхбыстрое молекулярное просеивание через мембраны из оксида графена. Science 343 , 752–754 (2014).
CAS Google ученый
Гао, W. и др. . Озонированная пленка оксида графена как протонообменная мембрана. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 53 , 3588–3593 (2014).
CAS Google ученый
Лю Ф., Сонг, С., Сюэ, Д. и Чжан, Х. Сложенная структурированная графеновая бумага для высокоэффективных электродных материалов. Adv. Матер. 24 , 1089–1094 (2012).
CAS Google ученый
Мукерджи, Р., Томас, А. В., Кришнамурти, А. и Кораткар, Н. Фототермически восстановленный графен в качестве мощных анодов для литий-ионных аккумуляторов. ACS Nano 6 , 7867–7878 (2012).
CAS Google ученый
Xu, Y. et al. . Сольватированные графеновые каркасы как высокоэффективные аноды для литий-ионных аккумуляторов. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 127 , 5435–5440 (2015).
Google ученый
Wu, Z.С., Рен, В., Сюй, Л., Ли, Ф. и Ченг, Х. М. Листы легированного графена в качестве анодных материалов со сверхвысокой скоростью и большой емкостью для литий-ионных батарей. ACS Nano 5 , 5463–5471 (2011).
CAS Google ученый
Чжоу В. и др. . Общая стратегия создания наноструктур ядро-оболочка из оксида металла-графена для высокоэффективного хранения лития. Energy Environ. Sci. 4 , 4954–4961 (2011).
CAS Google ученый
Ху, Л. Х., Ву, Ф. Ю., Лин, К. Т., Хлобыстов, А. Н. и Ли, Л. Дж. Катод LiFePO4, модифицированный графеном, для литий-ионной батареи сверх теоретической емкости. Нат. Commun. 4 , 1687 (2013).
Google ученый
Chou, S. L., Pan, Y., Wang, J. Z., Liu, H. K. & Dou, S. X. Маленькие вещи имеют большое значение: связующее влияет на характеристики Li и Na батарей. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 , 20347–20359 (2014).
CAS Google ученый
He, S. & Chen, W. 3D графеновые наноматериалы для суперконденсаторов без связующего: научный дизайн для повышения производительности. Наноразмер 7 , 6957–6990 (2015).
CAS Google ученый
Нето, А.Х., Новоселов, К.Двумерные кристаллы: за пределами графена. Mater. Экспресс 1 , 10–17 (2011).
Google ученый
Батлер С.З. и др. . Прогресс, проблемы и возможности в двумерных материалах помимо графена. ACS Nano 7 , 2898–2926 (2013).
CAS Google ученый
Гупта А., Сакхивел Т.& Сил, С. Последние разработки в 2D-материалах помимо графена. Prog. Матер. Sci. 73 , 44–126 (2015).
CAS Google ученый
Chhowalla, M. et al. . Химия двумерных слоистых нанолистов из дихалькогенидов переходных металлов. Нат. Chem. 5 , 263–275 (2013).
Google ученый
Acerce, M., Вуари Д. и Чховалла М. Металлические нанолисты MoS2 фазы 1T в качестве электродных материалов суперконденсатора. Нат. Nanotechnol. 10 , 313–318 (2015). Металлическая 1Т-фаза MoS2 обладает способностью интеркалировать различные катионы, что делает ее перспективной для электрохимического накопления энергии как в водных, так и в органических средах.
CAS Google ученый
да Силвейра Фирмиано, Э. Г. и др. .Электроды суперконденсатора, полученные прямым соединением 2D MoS2 на восстановленном оксиде графена. Adv. Energy Mater. 4 , 1301380 (2014).
Google ученый
Чанг, К. и Чен, В. Синтез слоистых композитов MoS2 / графен с использованием L-цистеина с превосходными электрохимическими характеристиками для литий-ионных аккумуляторов. ACS Nano 5 , 4720–4728 (2011).
CAS Google ученый
Нагиб, М.& Гогоци, Ю. Синтез двумерных материалов путем селективной экстракции. В соотв. Chem. Res. 48 , 128–135 (2014).
Google ученый
Гидиу М., Лукацкая М. Р., Чжао М. К., Гогоци Ю. и Барсум М. В. Проводящий двумерный карбид титана «глина» с высокой объемной емкостью. Nature 516 , 78–81 (2014).
CAS Google ученый
Машталир, О. и др. . Интеркаляция и расслоение слоистых карбидов и карбонитридов. Нат. Commun. 4 , 1716 (2013).
Google ученый
Гаффарзаде, К. Графен и 2D-материалы: рынки, технологии и возможности 2015–2025 гг. (IDTechEx, 2015).
Google ученый
Weinstein, L. & Dash, R. Углероды суперконденсаторов. Mater. Сегодня 10 , 356–357 (2013).
Google ученый
Вольф, Э. Л. в статье Applications of Graphene 19–38 (Springer, 2014).
Google ученый
Чен, К. и др. . Повышенная люминесценция горячих носителей в многослойных наносферах из восстановленного оксида графена. Sci. Отчет 3 , 2315 (2013).
Google ученый
Раччини, Р., Варци, А., Пассерини, С. и Скросати, Б. Роль графена для электрохимического накопления энергии. Нат. Матер. 14 , 271–279 (2015).
CAS Google ученый
Wei, W. et al. . Влияние упаковки из графена на характеристики LiFePO4 для литий-ионной батареи. Углерод 57 , 530–533 (2013).
CAS Google ученый
Wu, Z.С. и др. . Композитные электродные материалы на основе графена и оксида металла для накопления энергии. Nano Energy 1 , 107–131 (2012).
CAS Google ученый
Park, S.H. и др. . Процесс обжарки с помощью распыления для сферической сборки in situ из графена для устройств накопления энергии. Chem. Матер. 27 , 457–465 (2015).
CAS Google ученый
Цай, Дж. и др. . Изготовление графеновых нанолент снизу вверх с атомарной точностью. Nature 466 , 470–473 (2010).
CAS Google ученый
Цзяо, Л., Чжан, Л., Ван, X., Дяньков, Г. и Дай, Х. Узкие графеновые наноленты из углеродных нанотрубок. Nature 458 , 877–880 (2009).
CAS Google ученый
Конг, Х.П., Рен, X. С., Ван, П. и Ю, С. Х. Мокрое прядение непрерывных, чистых и макроскопических графеновых волокон. Sci. Отчет 2 , 613 (2012).
Google ученый
Hu, C. et al. . Графеновые микротрубки: контролируемое изготовление и сайт-специфическая функционализация. Nano Lett. 12 , 5879–5884 (2012).
CAS Google ученый
Станкович, С. и др. . Синтез нанолистов на основе графена путем химического восстановления расслоенного оксида графита. Углерод 45 , 1558–1565 (2007).
CAS Google ученый
Лю К., Ю З., Нефф Д., Жаму А. и Джанг Б. З. Суперконденсатор на основе графена со сверхвысокой плотностью энергии. Nano Lett. 10 , 4863–4868 (2010).
CAS Google ученый
Чжу, Ю., и др. . Суперконденсаторы на основе углерода, полученные путем активации графена. Наука 332 , 1537–1541 (2011). Это исследование описывает новую стратегию повышения плотности энергии графеновых суперконденсаторов за счет химической активации расслоенного оксида графита. Это приводит к пористому углю с площадью поверхности более 3000 м 2 г -1 , отличающихся повышенной удельной емкостью и пониженным сопротивлением.
CAS Google ученый
Бай, Дж., Чжун, X., Цзян, С., Хуанг, Ю. и Дуань, X. Графен наномеш. Нат. Nanotechnol. 5 , 190–194 (2010).
CAS Google ученый
Донг, З. и др. . Легкое изготовление легких, гибких и многофункциональных графеновых волокон. Adv. Матер. 24 , 1856–1861 (2012).
CAS Google ученый
Li, X. et al. . Многофункциональные ткани из графена. Sci. Отчет 2 , 395 (2012).
CAS Google ученый
Ян, З. и др. . Гексагональные луковые кольца из графена. J. Am. Chem. Soc. 135 , 10755–10762 (2013).
CAS Google ученый
Цой Б.Г., Янг, М., Хонг, В. Х., Чой, Дж. У. и Хух, Ю. С. Трехмерные макропористые графеновые каркасы для суперконденсаторов с высокой плотностью энергии и мощности. САУ Нано 6 , 4020–4028 (2012).
CAS Google ученый
Чен, З. и др. . Трехмерные гибкие и проводящие взаимосвязанные графеновые сети, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы. Нат. Матер. 10 , 424–428 (2011).
CAS Google ученый
Xu, Y., Sheng, K., Li, C. & Shi, G. Самособирающийся гидрогель графена с помощью одностадийного гидротермального процесса. ACS Nano 4 , 4324–4330 (2010).
CAS Google ученый
Коркут, С., Рой-Мэйхью, Дж. Д., Даббс, Д. М., Милиус, Д. Л. и Аксай, И. А. Ленты с большой площадью поверхности, изготовленные из функционализированного графена. ACS Nano 5 , 5214–5222 (2011).
CAS Google ученый
Sun, H., Xu, Z. & Gao, C. Многофункциональные сверхлегкие углеродные аэрогели синергетической сборки. Adv. Матер. 25 , 2554–2560 (2013).
CAS Google ученый
Бай, Х., Ли, К., Ван, X. и Ши, Г. О гелеобразовании оксида графена. J. Phys. Chem. С 115 , 5545–5551 (2011).
CAS Google ученый
Берресс, Дж. У. и др. . Каркасные материалы из оксида графена: теоретические прогнозы и экспериментальные результаты. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 49 , 8902–8904 (2010).
CAS Google ученый
Джахан, М., Бао, К. и Ло, К.P. Электрокаталитически активный композит графен – порфирин MOF для реакции восстановления кислорода. J. Am. Chem. Soc. 134 , 6707–6713 (2012).
CAS Google ученый
Чжао, Ю. и др. . Универсальный сверхлегкий каркас из графена, легированного азотом. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 124 , 11533–11537 (2012).
Google ученый
Гилье, С., Хан, С., Ван, М., Ван, К. Л. и Канер, Р. Б. Химический путь получения графена для устройств. Nano Lett. 7 , 3394–3398 (2007).
CAS Google ученый
Тунг, В. К., Аллен, М. Дж., Янг, Ю. и Канер, Р. Б. Высокопроизводительная обработка растворов крупномасштабного графена. Нат. Nanotechnol. 4 , 25–29 (2009).
CAS Google ученый
Ликари, Дж.J. Материалы покрытия для электронных приложений: полимеры, обработка, надежность, тестирование (William Andrew Publishing, 2003).
Google ученый
Ли, Дж. У. и др. . Чрезвычайно стабильное переключение ультратонких электродов из нанопроволоки V2O5 – графен для катодов литиевых аккумуляторов. Energy Environ. Sci. 5 , 9889–9894 (2012).
CAS Google ученый
Чжан, Х. и др. . Электроспрядные композитные нановолокна TiO2 – графен как высокопрочный вставной анод для литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. Chem. С 116 , 14780–14788 (2012).
CAS Google ученый
Лян, Ю., Ву, Д., Фенг, X. и Мюллен, К. Дисперсия графеновых листов в органическом растворителе, поддерживаемая ионными взаимодействиями. Adv. Матер. 21 , 1679–1683 (2009).
CAS Google ученый
Д’Арси, Дж.М., Тран, Х. Д., Стиг, А. З., Гимжевски, Дж. К. и Канер, Р. Б. Выровненные тонкие пленки углеродных нанотрубок, графена и оксида графита с помощью направленного на подложку быстрого межфазного осаждения. Наноразмер 4 , 3075–3082 (2012).
CAS Google ученый
Li, X. et al. . Листы графена с высокой проводимостью и пленки Ленгмюра – Блоджетт. Нат. Nanotechnol. 3 , 538–542 (2008).
CAS Google ученый
Ю. Д. и Дай Л. Самособирающиеся гибридные пленки графен / углеродные нанотрубки для суперконденсаторов. J. Phys. Chem. Lett. 1 , 467–470 (2009).
Google ученый
Тесла делает графеновую батарею? | Верны ли слухи?
Хотите знать, делает ли Тесла графеновую батарею? Короткий ответ: «пока нет.Но это еще не все.
Мировая популярность седана Tesla Model 3 (NASDAQ: TSLA) также стала хорошей новостью для металлических аккумуляторов, таких как литий, графит и кобальт.
Tesla вызвала большой интерес потребителей своей моделью 3, автомобилем стоимостью 40 000 долларов США, который, по ее мнению, поможет сделать электромобили (EV) доступными для широких масс. По данным Statista, сегодня Model 3 является самой продаваемой моделью электромобиля с подключаемым модулем в мире.
Поскольку электромобили Tesla работают на литий-ионных батареях, ожидается, что спрос на литий, а также на графит и кобальт будет расти, поскольку Tesla будет продавать больше своих автомобилей.
Но некоторые инвесторы все еще задаются вопросом, могут ли литий-ионные батареи Tesla в конечном итоге включать еще один интересный материал: единственный слой кристаллического аллотропа в углероде, известный как графен.
Почему слухи о графеновых батареях от Tesla? Батарея состоит из катода и анода, а литий-ионные батареи обычно содержат графитовый анод.Однако у графеновой технологии есть потенциал для использования в литиевых батареях в качестве графенового электрода.
Хотя при использовании этих электродных материалов возникали проблемы с надежностью, восстановленный оксид графена — раствор воды и графена — показал многообещающие свойства в литий-ионных батареях.
Кроме того, когда оксид металла прикреплен к графену, функции накопления энергии заметно улучшаются. Оксиды металлов обычно используются в освещении, магнитах и сверхпроводниках, среди прочего.Так возможна ли установка графеновой батареи от Tesla? Читайте дальше, чтобы узнать, что может быть в магазине.
Графеновый аккумулятор для Tesla: могло ли это случиться?
Графен, широко известный как «чудо-материал» 21 века, обладает впечатляющим списком характеристик: он лучше проводит электричество, чем медь, не пропускает газы, в 200 раз прочнее стали (но в шесть раз легче) и почти полностью прозрачен. . Кроме того, его свойства могут быть изменены при добавлении химических компонентов на его поверхность.
Эти качества дают графену, казалось бы, бесконечное количество применений, хотя большинство из них до сих пор не коммерчески доступны. Но можно ли использовать графен для создания более совершенных литий-ионных батарей? И если да, то разве это то, чего добивается Тесла? Короткий ответ — «еще нет», но это еще не все.
Вот краткий обзор того, что вам следует знать о Tesla и графене:
- Графеновая батарея на 500 миль: Китайское информационное агентство Xinhua в значительной степени ответственно за слухи о том, что Tesla может производить графеновую батарею.Почему? Еще в 2014 году новостное издание опубликовало статью, в которой говорилось, что Tesla работает над графеновой батареей, которая может почти удвоить пробег автомобиля Model S до 500 миль.
- Генеральный директор Tesla Илон Маск вмешивается: Истории Синьхуа поверили, потому что примерно в то же время она появилась, потому что Маск сказал, что, по его мнению, можно будет создать электромобиль с дальностью полета до 500 миль. «На самом деле мы могли бы сделать это довольно скоро, но это повысит цену», — сказал он.Однако он не уточнил, что графен будет использоваться для создания такого транспортного средства.
- Наблюдатели за рынком накапливают: Вместе статья и комментарий Маска по понятным причинам вызвали бурю негодования в сообществе графена — щелкните здесь или здесь, чтобы ознакомиться с некоторыми комментариями по теме. Примечательно, что наблюдатели за рынком отметили, что, хотя графеновая батарея может быть очень полезной для пробега, стоимость графена может сделать ее слишком дорогой.
- Волнение утихает: В отсутствие новых сообщений о планах Tesla по поводу графена, ажиотаж по поводу 500-мильного аккумулятора угас.Источники показывают, что батареи Tesla, производимые Panasonic (TSE: 6752), имеют максимальный запас хода в 330 миль среди топовых моделей компании.
- Снова возвращаются проценты: В середине 2019 года Tesla приобрела Maxwell Technologies. Примечательно, что Maxwell предлагает возможности быстрой зарядки за счет суперконденсаторов. Графеновые суперконденсаторы обладают способностью накапливать невероятное количество энергии по сравнению с обычными конденсаторами.
Графеновая батарея для Tesla: проблемы и конкуренция
Неудивительно, что существуют препятствия на пути коммерциализации использования графитовых материалов в батареях.Во-первых, существуют проблемы с плотностью, которые влияют на безопасность и прочность литиевых батарей в электромобилях. Проблемы, связанные с проводимостью, которая в конечном итоге может снизить общую емкость аккумулятора, также остаются.
Вот такая ситуация сегодня. Хотя графеновая батарея от Tesla, безусловно, является убедительной идеей, пока нет никаких подтверждений того, что компания действительно разрабатывает такую батарею.
Тем не менее, есть и другие компании, заинтересованные в идее графеновых батарей, которые когда-нибудь могут питать электромобили.
Nanotech Energy разрабатывает батареи с улучшенным графеном для рынков портативной электроники и электромобилей. Тайваньская компания по предоставлению финансовых услуг Fubon Financial Holding недавно инвестировала в компанию 64 миллиона долларов США.
В начале 2020 года испанская компания Graphenano сообщила, что вместе с китайским партнером она работает над разработкой батареи на основе графенового полимера, которая обеспечит радиус действия до 500 километров и возможность перезарядки менее чем за 5 минут. Еще есть стартап из Испании под названием Earthdas, который разработал графеновую батарею, которая заряжает мотоциклы и электровелосипеды всего за пять минут.Есть предположение, что его можно будет использовать для других транспортных средств — это лишь вопрос времени.
Кроме того, в 2020 году китайский производитель электромобилей Guangzhou Automobile Corporation объявила, что разработала батарею с улучшенным графеном, которая может заряжаться до 85 процентов за 8 минут.
Совсем недавно GAC продемонстрировал свой электрический внедорожник Aion V, который, как ожидается, появится на рынке осенью 2021 года. GAC утверждает, что графеновый аккумулятор электромобиля можно зарядить всего за восемь минут, не повредив его, и обеспечит запас хода. более 620 миль на одной зарядке.
Тем не менее, от этих заявлений инсайдеры отрасли закатывают глаза, поскольку многие считают, что до таких масштабных возможностей еще несколько лет.
Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) заявляет, что разработала графеновые алюминиево-ионные аккумуляторные элементы, которые, как сообщается, заряжаются до 70 раз быстрее, чем обычные литий-ионные элементы, при этом сохраняя до трех раз больше энергии, чем обычные элементы на основе алюминия. Недавно компания объявила, что ее графеновая алюминий-ионная ячейка была проверена 2 000 циклов без потери производительности.
По словам управляющего директора GMG Крейга Николя, технология ячеек компании может быть изготовлена так, чтобы соответствовать современным литий-ионным корпусам в архитектуре транспортных средств. «Наши батареи будут той же формы и напряжения, что и нынешние литий-ионные элементы, или мы можем придать любую необходимую форму», — сказал Николь. GMG планирует создать прототипы аккумуляторных батарей для автомобилей к 2022 году.
В целом, похоже, что Tesla не является окончательным ответом на вопрос о графеновой батарее. Но графен считается «чудо-материалом» 21 века; Если Tesla хочет идти в ногу с конкурентами, возможно, графеновые батареи могут стать частью будущего компании.
Как вы думаете, приближается революция графеновых батарей? Сообщите нам в комментариях.
Это обновленная версия статьи, впервые опубликованной Investing News Network в 2016 году.
Не забудьте подписаться на нас @INN_Technology, чтобы получать новости в реальном времени!
Раскрытие информации о ценных бумагах: Я, Мелисса Пистилли, не владею долей прямых инвестиций ни в одной компании, упомянутой в этой статье.
Двусторонний графен обеспечивает десятикратное увеличение емкости натрий-ионной батареи
Будь то образование специальной пены, которая действует как термовыключатель, смешивание с керамикой для образования сверхпрочных электролитов или использование для удержания тонких частиц кремния, графен — это уже несколько интересными способами формируют будущее аккумуляторных технологий.Ученые в Швеции применили новую форму чудесного материала в устойчивой натриевой батарее и показали, как ее можно использовать для десятикратного увеличения емкости.
Ученые, ищущие новые и улучшенные конструкции батарей, обращают внимание на широко распространенный натрий в качестве замены дорогостоящего и труднодоступного лития. Эти натриево-ионные батареи будут работать так же, как современные литий-ионные батареи, вырабатывая энергию, перемещая ионы между парой электродов в жидком электролите, но в настоящее время их производительность не совсем на высоте.
Частично причина этого заключается в том, что ионы натрия имеют больший размер по сравнению с ионами лития, поэтому они не так хорошо гельятся с графитовыми электродами, которые состоят из многослойных слоев графена. Обычно ионы могут свободно входить и выходить из графитового электрода, когда батарея циклически переключается в процессе, известном как интеркаляция, но более объемные ионы натрия не могут эффективно храниться в структуре. Это значительно снижает производительность ионно-натриевой батареи и обеспечивает ее емкость около 35 мАч / г, что составляет десятую часть того, что предлагает литий-ионная химия.
В поисках решения этой проблемы ученые из технологического университета Чалмерса обратились к графену новой формы с особыми свойствами. Графен Янус, названный в честь римского бога, прославившегося наличием двух лиц, имеет молекулы только с одной стороны, которые действуют как разделители и активные центры взаимодействия для ионов натрия.
Мы уже видели, как это мышление применялось к так называемым частицам Януса, например, с учетом сфер, которые притягивают и отталкивают воду. В этом случае молекулы, обнаруженные только на одной стороне графенового материала, способствуют электростатическому взаимодействию между сложенными листами, а также создают больше пространства между ними, что, как обнаружила группа, привело к значительному увеличению емкости.
«Мы добавили прокладку для молекул на одной стороне графенового слоя», — объясняет член команды Цзиньхуа Сунь. «Когда слои сложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, которая приводит к значительно более высокая емкость ».
Используя свой новый графен Janus вместо графита, ученые достигли емкости в 332 мАч / г в своей экспериментальной натриевой батарее, что примерно в 10 раз выше, чем у традиционных конструкций, и приближается к емкости лития в графите. .
«Было действительно захватывающе, когда мы наблюдали интеркаляцию ионов натрия с такой большой емкостью, — говорит автор исследования профессор Александар Матич. — Исследования все еще находятся на начальной стадии, но результаты очень многообещающие. Это показывает, что можно спроектировать слои графена в упорядоченной структуре, которая подходит для ионов натрия, что делает его сопоставимым с графитом ».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: Технологический университет Чалмерса
Объяснение графеновых батарей
Обработка графена для изготовления электродов улучшает аккумуляторные батареи благодаря выдающимся электрохимическим свойствам графена и уникальному сочетанию большой площади поверхности, высокой электронной проводимости и превосходных механических свойств.
Например, монослой графена, достаточный по размеру, чтобы покрыть все футбольное поле, будет весить менее 3 граммов (площадь поверхности графена составляет 2630 квадратных метров на грамм). Эта огромная площадь поверхности, связанная с этим небольшим количеством графена, может быть сжата внутри батареи AA, что позволяет конструкциям батарей хранить огромные количества заряда.
Однако весь потенциал устройств накопления энергии, построенных из графена, еще не реализован. Остается еще много проблем, особенно в отношении возможных методов недорогого массового производства графена с контролируемой микроструктурой и низким содержанием остаточного кислорода.
Как графен улучшает батареи?
Представьте себе аккумулятор мобильного телефона, который оставался заряженным более недели и заряжался всего за 15 минут. К сожалению, с учетом современных технологий производительность литий-ионного аккумулятора ограничена двумя способами:
Во-первых, его энергоемкость — то, как долго батарея может поддерживать свой заряд — ограничивается плотностью заряда или количеством ионов лития, которые могут быть упакованы в анод или катод.
Во-вторых, скорость заряда батареи — скорость, с которой она перезаряжается — ограничена другим фактором: скоростью, с которой ионы лития могут переходить из электролита в анод.
Перерабатывая графен в электроды (аноды и катоды), можно улучшить как энергоемкость, так и скорость заряда аккумуляторных батарей, иногда значительно. Причины тому — превосходная электропроводность графена, превосходная механическая гибкость, хорошая химическая стабильность и большая площадь поверхности.
Однако исследователи сообщили, что LIB с нетронутыми графеновыми анодами не могут обеспечить стабильные потенциальные выходы, что создает препятствия для их практического применения.
Чтобы обойти эту проблему и улучшить характеристики графеновых электродов, исследователи разрабатывают различные стратегии.
Графеновые электроды подходят для всех типов батарей
Графен оказался полезным для различных типов батарей, не только для литий-ионных батарей — проточных окислительно-восстановительных, металло-воздушных, литий-серных и литий-металлических батарей.
Поскольку графен может быть химически переработан в различные формы, подходящие как для положительных, так и для отрицательных электродов, это позволяет изготавливать полностью графеновые батареи со сверхвысокой плотностью энергии.
Морфология воздушного электрода на основе графена. а, б — СЭМ-изображения готовых листов функционализированного графена (FGS) (углерод / кислород (C / O) = 14) воздушных электродов при разном увеличении. c, d) Разряженный воздушный электрод с использованием FGS с C / O = 14 и C / O = 100 соответственно. (© Американское химическое общество)
Новый изгибаемый суперконденсатор из графена, который быстро и безопасно заряжается, сохраняет рекордно высокий уровень энергии для использования в течение длительного периода. (Изображение: Zhuangnan Li, UCL)
Тем не менее, существует большая проблема: хотя ученые продемонстрировали батареи на основе графена с характеристиками, намного превышающими характеристики коммерчески доступных батарей, отсутствие осуществимых методов массового производства высококачественного графена ограничивает их потенциал для практического использования, например в мобильных потребительских устройствах.
Еще одна проблема, препятствующая массовому производству, — это стоимость. Оценки стоимости производства графена варьируются в зависимости от качества материала от десятков до тысяч долларов за килограмм, но он по-прежнему не может конкурировать с современными материалами. Например, очень низкая стоимость активированного угля, используемого в настоящее время в суперконденсаторах (10-15 долларов США за килограмм), представляет собой сложный барьер для проникновения других материалов.
Графен предотвращает возгорание батарей
Литиевые батареи — это то, что позволяет электромобилям преодолевать несколько сотен миль без подзарядки.Их способность накапливать энергию хорошо известна, но также и их склонность время от времени загораться — явление, известное исследователям аккумуляторов как «тепловой сбой».
Причины возгорания литиевых батарей включают быстрое переключение или зарядку и разрядку, а также высокие температуры в батарее. Эти условия могут привести к тому, что катод внутри батареи, который в случае большинства литиевых батарей представляет собой литийсодержащий оксид, обычно оксид лития-кобальта, разлагается и выделяет кислород.Если кислород соединяется с другими легковоспламеняющимися продуктами, выделяемыми при разложении электролита при достаточно высокой температуре, может произойти самовозгорание.
Графен — идеальный материал для блокировки выделения кислорода в электролит. Исследователи продемонстрировали, что если они обернут очень маленькие частицы катода из оксида лития-кобальта литиевой батареи в графен, это предотвратит утечку кислорода.Вашей следующей батареей может быть суперконденсатор
Другой способ — использовать графен как сам носитель энергии.Это было использовано для создания суперконденсаторов — возможно, самого сильного будущего конкурента литий-ионным аккумуляторам в областях, требующих очень короткого времени зарядки, например, в случае электромобилей.
Возможно, это их критическая особенность. Суперконденсатор может перейти от полностью разряженного к полностью заряженному на много порядков быстрее, чем сопоставимые литий-ионные батареи. В этом контексте важна большая площадь поверхности графена, потому что количество заряда, которое может быть сохранено, связано с площадью поверхности материалов, из которых он сделан.Итак, опять же, графен идеален.
Графеновые батареи нового поколения будут иметь новые особенности
Тем не менее, эти препятствия будут преодолены, и вскоре графен сможет создать новое поколение устройств хранения энергии с 12 новыми функциями, которые невозможны при использовании нынешних технологий, как кратко излагается ниже (источник):Суперконденсаторы с фильтрацией линии переменного тока