+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

история изобретения, перспективы применения и изготовления своими руками

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

История открытия

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

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

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

Структура графена

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

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

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

Устройство батарей и аккумуляторов

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

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

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

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

Преимущества и проблемы

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

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

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

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

Другие разработки

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

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

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

Графеновый аккумулятор своими руками

Графеновый аккумулятор своими руками

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

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

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

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

Устройство графенового аккумулятора

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

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

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

Графеновый аккумулятор что это

Информационный сайт о накопителях энергии

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

Устройство графенового аккумулятора

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

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

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор для электромобиля

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор своими руками

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

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

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

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

Видео

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

Информационный сайт о накопителях энергии

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

Устройство графенового аккумулятора

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

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

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор для электромобиля

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

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

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

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

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

Графеновый аккумулятор своими руками

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

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

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

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

Видео

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

Графеновый аккумулятор и его преимущества.

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

Графеновый аккумулятор:

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества перед аналогами (традиционными аккумуляторами):

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

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

– экологическая чистота (отсутствие загрязнений окружающей среды),

– хорошая прочность и водонепроницаемость,

– быстрое восстановление поврежденных участков,

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

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

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

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

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

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

Графеновые аккумуляторы — что это, плюсы и минусы


Для работы различной техники, функционирование которой связано с электричеством, широко применяются источники энергии. Они не зависят от розеток и прочих факторов, то есть являются независимыми. Самый наглядный пример — это аккумулятор в машине.

АКБ в среднем служат 3-4 года, после чего их выводят из эксплуатации и утилизируют. Также аккумуляторы отличаются сравнительно небольшой ёмкостью, а в некоторых случаях низкой степенью надёжности.

Минусы в виде небольшого срока службы и малой ёмкости хотят устранить, используя графеновые батареи. Но говорить об их массовом внедрении в автомобили сейчас слишком рано. Нужно взглянуть на их перспективы.

Что это такое

Специалисты давно ведут работу над поиском материалов, которые можно эффективно использовать для создания АКБ. Но пока свинцовые пластины так и остаются основой. Они совершенно не удовлетворяют запросы современных электромобилей и экологического транспорта.

Огромный шаг вперёд в этом направлении удалось сделать в 2004 году. Именно тогда двоё учёных из Великобритании сумели создать в лабораторных условиях новое вещество. Оно изготовлено на основе углерода и носит название графен. Через 6 лет за свою разработку они удостоились Нобелевской премии.

Графен — это одна из разновидностей графита. В состав вещества входят атомы углерода. Кристаллы материала напоминают листы бумаги, которые сложены в большое количество слоёв.


Кристаллическая структура графена

Тут стоит учесть свойства графита. Его атомное взаимодействие между слоями является слабее, нежели в середине. Из-за этого графит широко применяют при производстве карандашей. В итоге учёные расщепили графит на слои, и создали новое вещество. Свойства получились такими же, только усиленными в несколько раз.

Подобные разработки дали новый серьёзный толчок в развитии электроники, а также новых видов батарей и аккумуляторов. Графит по своей природе обладает высокой электропроводностью и отлично проводит тепло. В итоге графен стал заменителем для целого ряда дорогостоящих материалов. Поскольку графит доступен в природе в больших количествах, то с производством графена на его основе проблем не возникает.



Как устроены аккумуляторы

Многих интересует вопрос устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, которые активно развиваются и производятся в настоящее время.

Если говорить о том, как устроен изучаемый графеновый аккумулятор, и на основе каких принципов он работает, то тут существенного отличия от АКБ для машин с двигателем внутреннего сгорания нет. Разница только в протекающих внутри электрохимических процессах.

В большей степени они напоминают реакцию, которая наблюдается в батареях литий-полимерного типа.

Важно отметить, что сейчас акцент делается на 2 технологиях в сфере создания аккумуляторов с графеном. Одна из них разрабатывается в США, а над второй работают российские специалисты.

  • Американская модель предусматривает использования кобальтата лития и катода, основанного на графеновых и кремниевых пластиках.
  • Российская версия — это магний-графеновый источник питания. Здесь применяют не литиевую соль в качестве анода, а оксид магния. Последний отличается ценовой доступностью и более низкими показателями токсичности.

В двух моделях АКБ ионы на увеличенной скорости проходят между анодами и электродами батареи, что обусловлено высокой электропроницаемостью материала, а также его свойствами накапливать заряды электричества.

Специалисты из США и России расходятся во мнении относительно возможных показателей ёмкости. Американские разработчики уверены, что им удастся поднять ёмкость до показателей, в 10 раз превышающих возможности литий-ионных АКБ. Российские учёные делают более приземлённые прогнозы. По их мнению, ёмкость увеличится в 2-3 раза.

Какие характеристики в итоге приобретут графеновые аккумуляторы, и смогут ли их использовать для оснащения электромобилей так же, как и литий-ионные АКБ, говорить сложно. Но у учёных оптимистичные прогнозы.

Развитие производства графеновых батарей

В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2021 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.

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

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

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

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

Как это работает

Ранее уже говорилось, что графеновый перспективный аккумулятор работает на основе тех же электрохимических реакций, которые актуальны для свинцовых батарей с щелочным или кислотным типом электролита внутри. А по устройству они напоминают больше литий-ионные источники питания.

Нюанс в том, что в качестве катода применяют угольный кокс. Это обусловлено его химической близостью к чистому углероду. Вместо графитового слоя используется графен.

Ёмкость источника питания зависит от количества ионов, находящихся на кристаллической решётке используемого анода. То, с какой скоростью перемещаются ионы, влияет на скорость зарядки АКБ.

Чтобы увеличить ёмкость, между слоями графена начали устанавливать специальные кластеры. Они выполнены из кремния. С целью увеличения скорости зарядки в пластины на основе графена добавили отверстия. Их размер составляет буквально 15-20 нм.

То есть принцип работы рассматриваемого графенового аккумулятора основан на электрохимических реакциях. Только скорость их течения выше, и накапливаемый заряд больше. Это даёт возможность увеличить эксплуатационные характеристики устройства.

Несмотря на отличия в технологиях разработки, принцип работы для любого графенового аккумулятора остаётся пока идентичным. Возможно, специалисты внесут свои точечные изменения. Но база или основа работы таких источников питания одинаковая. Вопрос лишь в том, кому удастся максимально эффективно реализовать на практике все имеющиеся знания.

Графеновые аккумуляторы

«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.


У графена высокая электропроницаемость

На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.

Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.

Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.

Батареи литий-графенового типа долго заряжаются, из-за чего в автомобильной отрасли с их применением начали возникать сложности. Новым источником питания стали магний-графеновые аккумуляторы, о которых еще пойдет речь.

Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.

Есть две технологии производства графеновых источников питания:

  • американская модель. Источником реакции выступают кобальтат литий и катод из перемежающихся пластин кремния и графена;
  • российская модель. Магний-графеновая модификация, в которой литиевую соль (анод) заменили на оксид магния (доступное и менее токсичное вещество).

У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.

Преимущества и недостатки


Графен экологически чистое вещество

Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:

  • исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
  • малый вес. Масса 1 м2 графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
  • экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
  • высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
  • поврежденные участки быстро восстанавливаются;
  • проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;
  • высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
  • технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
  • быстро заряжается.

Недостаток графенового аккумулятора – низкая плотность. По этой причине такие источники питания не устанавливаются в мобильные устройства, так как получаются слишком крупными.

Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.

Устройство

Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.

Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.

Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.

Емкость батареи зависит от того, сколько ионов находится в кристаллической решетке анода. Скорость перемещения ионов влияет на то, как быстро заряжается аккумулятор.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Преимущества и недостатки

Чтобы сделать определённые выводы про графеновые аккумуляторы, стоит взглянуть на их плюсы и минусы.

Да, это перспективная технология. Да и имеющиеся достоинства об этом наглядно говорят. Хотя и без недостатков здесь не обошлось. Даже в условиях, когда массово батареи ещё даже не начали выпускать.

Если говорить про плюсы и минусы, которыми характеризуются графеновые аккумуляторы, то на эти АКБ стоит взглянуть со всех сторон.

Для начала о сильных качествах перспективной технологии:

  • Батареи имеют небольшой вес. Они значительно легче в сравнении со свинцово-кислотными аналогами или другими источниками питания, используемыми в автомобилях. На 1 квадратный метр графена приходится всего 0,77 грамма веса.
  • Высокие показатели проводимости. В плане этой характеристики графен в разы лучше, чем ряд других полупроводниковых материалов.
  • Прочность и водонепроницаемость. Также важные характеристики, учитывая условия эксплуатации автомобилей и прочего транспорта, где такие АКБ могут использоваться.
  • Экологичность. В отличие от свинца и жидкого электролита, АКБ на основе графеновой технологии не будут загрязнять окружающую среду. Это решение ещё одной важной современной проблемы.
  • Удельная ёмкость. Отличные показатели. Потенциально графеновые батареи способны демонстрировать около 1000 Вт/ч на 1 кг.
  • Возможность регулировки свойств. Это достигается за счёт сочетания и комбинирования с графена с другими используемыми материалами.
  • Доступность сырья. В качестве сырья для получения графена используется графит. А это распространённый, доступный и недорогой материал.

Но не всё так радужно. Технология имеет ряд недостатков.

Исследователи говорят, что из-за плотности сделать АКБ компактными невозможно. Поэтому перспективы использования технологии в мобильных устройствах сомнительные. Батареи получаются массивными. Специалисты пытаются решить этот вопрос. Но пока ни одного серийного образца не выпустили.

С позиции автомобильной сферы всё намного интереснее. Потенциальный переход на графеновую технологию способен увеличить пробег актуальной Tesla Model S с 400 до 1000 км. без подзарядки.


Электромобиль Tesla Model S

На саму подзарядку батареи потенциально достаточно потратить 10-15 минут. Но при условии наличия мощной зарядной станции. Специалисты уверены, что такой вопрос решается довольно легко.

Проблема в литии, который также применяется при создании графеновых источников питания. Этого вещества в природе не так много. Полностью удовлетворить потребности автомобильной отрасли не получится. Поэтому ведутся работы над тем, чтобы вместо лития использовать магний.

Устройство графенового электроаккумулятора

Принцип работы графеновой электробатареи, многим напоминает популярные кислотные электронакопители. По ходу протекания химических реакций происходит выработка и накопление электроэнергии.

Устройство аккумуляторов созданных на основе графена, схоже с Li-pol вариациями электронакопителей. На данный момент, разработано несколько специальных технологических процессов, для создания графен-полимерных источников питания.

Положительный электрод выполнен из пластин графена и кремния, отрицательный же, в одном случае изготавливается из вещества на основе кобальта, во другом — из недорогостоящего магниевого оксида. Кстати сказать, если кто-то надумает собрать такую конструкцию дома из подручных средств — зря время потеряет. Технология изготовления довольно сложна для среднестатистического юзера, так что воплотить подобную затею в жизнь, собственными силами в гаражных условиях — просто не реально.

Актуальные разработки

Уже сейчас на рынке представлены зарядные блоки (powerbank) от компании Real Graphene. Они основаны на графеновой технологии и позволяют за считанные минуты зарядить смартфон или планшет.

Их аккумулятор способен выдержать порядка 1500 циклов зарядки, не теряя свои изначальные технические характеристики. При этом девайс не генерирует большое количество тепла, остаётся холодным и безопасным во время работы.

Если говорить про машины, то буквально недавно китайская компания GAC заявила о том, что собирается тестировать графеновые источники питания. Их установят на автомобиль и проверят в реальных условиях эксплуатации.

Китайцы считают, что электромобиль с таким источником питания сможет получить 85% заряда всего за 8 минут.

Первые тесты ожидаются в конце 2021 года, либо в начале 2021 года. Пандемия внесла свои коррективы. В итоге результаты покажут, будет ли компания запускать массовое производство.

Ожидаемая стоимость нового электрического китайского автомобиля составит 30,5 тысяч долларов. При этом порядка 40% от стоимости это цена батареи.


Схема разработки 3DG

Графеновую технологию специалисты GAC начали осваивать ещё с 2014 году. За 4 лет активной работы удалось создать 3DG. Это трёхмерный графеновый материал. В ноябре 2021 года была официально проведена презентация сверхбыстрой аккумуляторной батареи для зарядки.

Особенности магний-графенового электронакопителя

Первые источники питания с использованием магния были разработаны испанскими учёными в 2017-ом году. АКБ на основе графена, в которых электролитом выступает магний, заряжаются в ускоренном режиме и при этом являются более ёмкими. Данную разработку нередко относят к батареям новой генерации. Если сравнивать их с классическими литий-ионными накопителями, то первые на 77% дешевле и на 50% легче Li-ion аналогов.

Повышенная подвижность ионов даёт возможность заряжать графеновые изделия за каких-то восемь минут, а максимальный показатель ёмкости может организовать электрической машине целых 1000 километров пробега.

Принцип действия любых электроаккумуляторов — химические процессы восстановления и окисления. Магний, стоящий почти в двадцать раз меньше лития, был выбран не просто так. Как и литий, он не взрывоопасен когда контактирует с жидкостью, кроме того, его легче подвергать утилизации и запасов магния по всему миру гораздо больше чем лития.

Однако несмотря на все преимущества, магний не является идеальным материалом, поэтому с созданием магний-графеновых накопителей у разработчиков были затруднения. Значимой сложностью оказался выбор электролита, в котором бы передвигались ионы. Кстати сказать, учёные корпят над этим и по сей день. Также, по их мнению, магний-графеновые АКБ нового поколения будут обладать в 2,5 раза большей ёмкостью, по сравнению с традиционными литиевыми электронакопителями.

Представители немецкого автопрома взяли такой источник питания на тестирование, удовлетворившее в последствии инженеров. В связи с успешными испытаниями, пошли разговоры об использовании этих батарей в промышленности.

Магний-графеновые электронакопители являются наиболее перспективными среди всех разработок в данной области.

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.

история изобретения, перспективы применения и изготовления своими руками

Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии

В настоящее время потенциальных покупателей электромобилей зачастую пугает перспектива довольно небольшого пробега автомобиля от одной подзарядки и слишком долгий процесс заряда аккумуляторов. В самое ближайшее будущее все может очень сильно измениться и нас ждут весьма интересные девайсы способные заряжаться за несколько минут, а также графеновые электронные компоненты и другие наноматериалы.

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. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

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. Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.

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.

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».

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.

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.

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% ».

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.

Графеновые аккумуляторы и батареи: история изобретения, перспективы применения и изготовления своими руками

В настоящее время потенциальных покупателей электромобилей зачастую пугает перспектива довольно небольшого пробега автомобиля от одной подзарядки и слишком долгий процесс заряда аккумуляторов. В самое ближайшее будущее все может очень сильно измениться и нас ждут весьма интересные девайсы способные заряжаться за несколько минут, а также графеновые электронные компоненты и другие наноматериалы.

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. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

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. Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.

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.

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”.

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.

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.

Эволюция аккумуляторов: от эбонита к графену

Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания.

Человечество никогда не стояло на месте. С древних времен наших предков интересовал целый спектр всевозможных физических и химических явлений. Ученые постоянно открывали что-то новое. Такое ноу-хау, как правило, сперва напрочь отрицалось наукой, затем о нем забывали, а спустя несколько десятилетий, уже забытого всеми ученого восхваляли и называли «человеком, который изменил мир». Наверняка вы читаете эти строки с устройства, работающего от розетки или имеющего в своем распоряжении один из важнейших элементов – аккумулятор. И если бы 2 700 лет назад древнегреческий философ Фалес не обратил внимание на взаимодействие шерсти и янтаря, если бы в 1600 году не был введен термин электричество, а в 1800 Аллесандро Вольта не заинтересовался пластинами из цинка и меди, возможно современный мир был намного скучнее.

С чего все началось

Наука средневековья – весьма спорное и запутанное явление. Тем не менее, именно существование целого ряда схоластических теорий породило такое понятие, как научно-технический прогресс. До появления первых аккумуляторов пройдет еще более 2,5 тысяч лет, а пока в солнечной Греции дочь философа Фалеса безуспешно пытается очистить янтарное веретено от мелких частичек ворса, ниток и пыли. Как оказалось, смахнуть их не так-то просто.

Во время правления английской королевы Елизаветы I (1533 – 1603) ее лейб-медик Вильям Гильберт Колчестерский всерьез заинтересовался устройством компаса, магнитами, янтарем и прочими драгоценными камнями, которые после натирания мехом притягивали к себе мелкие частички пергамента. Становилось понятным, что несмотря на определенную схожесть, магнетизм и электричество (термин, введенный самим Гильбертом) имеют совершенно разную природу. Магнит способен притягивать исключительно железо, в то время как электричество, вызванное трением, способно к притяжению частичек неметалического происхождения.

Понятие «притяжение» в средневековье относили к категории «магнитов». Все дополняющие друг-друга явления, вроде ветра и мельницы, солнца и тепла, мужчины и женщины относили к магнитам. Ненависти собак и кошек, друзей и врагов, льда и огня приписывали категорию «феамидов», а в магнетизме это понятие подтверждалось северным и южным полюсами магнита. С появлением электричества «магниты» и «феамиды» станут знакомы по маркировкам «плюс» и «минус», которые можно найти на любом аккумуляторе.

В последующих опытах бургомистра Отто Фон Герике в качестве источника электричества использовался шар из серы. Во время вращения его придерживали руками, а скапливающийся электрический заряд передавался металлическому бруску, который в последствии назовут «лейденской банкой» – главный атрибут престижной средневековой лаборатории, который и стал прообразом современного аккумулятора.

После введения понятия электричество в 1600 году и вплоть до начала XIX века по Европе прокатилась буря опытов, связанных с изучением материалов, способных вызывать так называемый «универсальный временный магнетизм». Тем временем во Франции проводил свои эксперимент ученый, имя которого навсегда осталось нераздельно связанным с любым электрическим прибором.

Великий Вольт

Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов. Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса. Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества, явления, которое еще в середине XVIII века описывал итальянский врач, анатом и физик Луиджи Гальвани, проводя опыты по препарированию лягушек.

Следующим шагом стало конструирование первой электрической батареи, принцип работы которой заключался в погружении медных и цинковых пластин, соединенных последовательно, в раствор кислоты. Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1798 годом, а его автором стал Аллесандро Вольта.

В течение последующих пяти лет в области исследования гальванических батарей начнется настоящий ажиотаж. 1801 год ознаменовался появлением кратковременного источника питания. Проводя опыты, Готеро (франц. физик), используя воду, платиновые электроды и ток, доказал, что даже после прекращения подачи тока, электроды продолжают излучать электричество. Два года спустя, немецкий химик Иоганн Риттер, заменив платиновые электроды на медные и сформировав из них цепочку пластин, переложенных кусками сукна, сконструировал первый вторичный элемент питания – иными словами, первую аккумуляторную батарею, способную сперва накапливать заряд, а потом постепенного его отдавать без участия «гальванической подпитки».

Пятьдесят медных кружков, смоченной в соленом растворе сукно и вольтов столб положили начало эры аккумуляторов с возможностью многократного цикла заряд-разряд. Появляется новая наука – электрохимия. Начатые в 1854 году немецким врачом Вильгельмом Зингстеденом опыты по использованию свинцовых электродов и их поведению в серной кислоте, спустя пять лет вылились в знаменательное открытие французского инженера Гастона Планте. В 1859 году Планте проводил исследования с листовым свинцом, свернутым в трубочку и разделенным полосами сукна. При погружении в подкисленную воду и под действием тока, свинцовые пластины покрывались активным действующим слоем. Многократное пропускание тока приводило к постепенному росту емкости первой свинцово-кислотной батареи, но рутинное осуществление этого трудоемкого процесса (на изготовление требовалось около 500 часов) приводило к росту конечной стоимости аккумулятора. Более того, потенциальный заряд аккумулятора был сравнительно невелик.

Наследие Зингстедена и Планте будет усовершенствовано через 23 года ученным Камиллом Фором, пересмотревшим процесс изготовления используемых в аккумуляторе пластин. Ускорить формирование активного слоя стало возможным благодаря покрытию пластин окислами свинца. Под действием тока вещество превращалось в перекись, а полученные окислы приобретали пористое строение, способствующее аккумулированию газов на электродах.

Параллельно с разработкой и совершенствованием свинцово-кислотных батарей велась работа и над построением «влажных» элементов Лекланше и их преемников угольно-цинковых аккумуляторов, предложенных в 1888 году Карлом Гасснером и использующихся вплоть до сегодняшнего дня.

В течение длительного периода времени аккумуляторы, электрохимия и все, что было связано с использованием кислых сред, пластин и гальванического электричества будоражило умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение.

Промышленная эра аккумуляторов

В 1896 году на территории США, в штате Колумбия открывается компания National Carbon Company (NCC). NCC становится первым предприятием специализацией которого становится серийное производство сухих элементов и батарей. В последующие сто лет Национальную Угольную компанию ждет две стадии ребрендинга: сперва NCC станет Eveready, а сегодня мы знаем ее под именем Energizer.

Предложенный Фором метод заполнения пластин в течение продолжительного времени будет являться основой для построения практически любого типа аккумулятора. В поисках альтернативы морально устаревшему (еще по меркам конца XIX века) свинцово-кислотному аккумулятору и попытках решить две основных проблемы этого некогда революционного источника питания (огромный размер и малоэффективная емкость), в 1901 году легендарный изобретатель Томас Эдисон и Вальдмар Юнгнер одновременно патентуют несвинцовый тип батарей: никель-кадмиевых и никель-железных.

Батарея Юнгнера состояла из положительной пластины, изготовленной из никеля. В качестве отрицательной использовался лист кадмия. Значительное повышение емкости, многократное снижение веса и неприхотливость к регулярности подзарядки не смогли выдержать практического применения в связи с дороговизной процесса изготовления никель-кадмиемых аккумуляторов. Достойной заменой стал предложенный Эдисоном никель-железный элемент, который получил имя щелочного аккумулятора.

Развитие эры электричества, появление мощных промышленных генераторов, трансформаторов и глобальная электрификация приводит к резкому росту популярности портативных элементов питания. Щелочные батареи начинают использовать в корабле- и машиностроении, в транспорте и на электростанциях. На улицах появляются первые электромобили, а конструкторы уже успели сформировать принципы построения аккумуляторных батарей с различным вольтажом.

В поисках идеального корпуса

Опыты с электричеством и попытки построения первых батарей нераздельно были связаны с использованием кислоты или кислой водной среды. Любая жидкость для успешного проведения эксперимента требует соответствующий сосуд, а сбор аккумулятора – свой собственный корпус.

В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева. Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменяют на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами.

Общепринятым стандартом, использующимся при построении составных аккумуляторов начала XX века, было формирование батареи из нескольких элементов, рабочее напряжение которого составляло 2,2 вольта. Первые «пальчиковые батареи» появились еще в далеком 1907 году. С тех пор внешне они мало в чем изменились. Аккумулятор с напряжением в 6 вольт (три элемента по 2,2 В) оставался эталонным при производстве автомобилей вплоть до начала 50-х годов. Элементы на 12 и 24 Вольта имели более узкую специализацию. В первой половине прошлого века об эстетике в машиностроении никто не задумывался, поэтому любой аккумулятор выглядел весьма неряшливо. Эбонитовый корпус с напичканными элементами и грубыми торчащими перемычками намертво заливался мастикой.

Изобретение немецких ученых Шлехта и Аккермана и демонстрация в 1932 году процесса изготовления прессованных пластин для аккумуляторов не могло не повлиять на внешний вид батарей. В 1941 году в производство корпусов вмешивается австрийская компания Baren, проводившая серию экспериментов по разработке синтетических материалов. Через шесть лет француз Нойман предлагает конструкцию герметичного никель-кадмиевого аккумулятора. Параллельно с этим вся промышленность переходит на батареи с напряжением в 12 вольт, а синтетически полученный американской компанией Johnson Controls полипропилен становится основой для изготовления корпуса любых аккумуляторов. Они стали легче, практичнее, перестали бояться ударов и строгих ограничений при подзарядке.

Настоящее и обозримое будущее

Дальнейшее развитие индустрии аккумуляторных батарей движется настолько стремительно, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название: никель-цинковые, литий-титанатные, цинк-хлорные. Среди этого обилия в быту мы сталкиваемся лишь с несколькими.

Причина, по которой мобильные устройства начали свою стремительную эволюцию лишь с начала 90-х годов XX века и за последние 35 лет превратились из громоздких и неповоротливых «чемоданов» в ультракомпактные плоские коробочки, кроется именно в элементах питания.

В 1991 году компания Sony выпускает первый литий-ионный аккумулятор. Этот тип портативных батарей пришел на смену некогда широко использовавшимся никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлгидридным (Ni-MH), изобретенных еще в начале прошлого века.

Литий-ионные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: они заряжаются на порядок быстрее никелевых, имеют более продолжительный срок эксплуатации и большой запас емкости. Li-ion-аккумуляторы получили широкое распространение в сфере портативной электроники, а предложенные инженерами решения позволили не только значительно увеличить максимальные токи разряда, сделавшие возможным использование этого типа аккумуляторов и в среде мощного оборудования, но и обеспечить внушительный рост емкости.

Несмотря на то, что сегодня мы ощущаем некое отсутствие прорыва в области портативных аккумуляторов, вынуждены ежедневно подзаряжать мобильные устройства и жить в режиме «от розетки к розетке», на сложившую ситуацию можно посмотреть и с более положительной стороны.

Одним из главных двигателей прогресса всей индустрии аккумуляторов стали попытки построения электротранспорта в начале позапрошлого столетия. Не стоит забывать, что электромобиль создан значительно раньше двигателя внутреннего сгорания. Внушительные по размеру тяжеловесные свинцово-кислотные батареи продолжают обеспечивать работу троллейбусов, трамваев, электропогрузчиков и тягачей. Бытовые инструменты с никель-кадмиевых элементов постепенно переходят на литий-ионные и литий-полимерные.

Прорыв в сфере использования литиевых аккумуляторов осуществила и компания Tesla, запустившая производство собственной линейки электроавтомобилей (читайте в статье «Революционер индустрии. История компании Tesla»). В конце апреля 2015 года Tesla представила и аккумуляторы для дома – решение для обеспечения автономности за счет получения энергии через солнечные панели. О целесообразности и эффективности данного решения мы поговорим в следующей статье, а пока нам остается надеяться на скорейшее развитие графеновых аккумуляторов. Аккумуляторов, которые уже сегодня называют «убийцами литий-ионного чуда», способных за 8 минут подарить владельцу автомобиля 1000 километров пробега. Увы, эта страница истории пишется в настоящее время. Но долгожданный технологический прорыв близок как никогда.

Интересуетесь историей? Советуем почитать:

(5.00 из 5, оценили: 1)

Графеновые аккумуляторы. Перспективы практического применения графена.

Инженеры из Испании разработали графеновые аккумуляторы нового поколения. Они получились на 70% дешевле литиевых аналогов, в два раза легче по весу, а благодаря уникальным электропроводным свойствам графена, могут быть полностью заряжены всего за 9 минут, и этого заряда хватит на 1000 километров пробега электромобилю. Новые батареи уже протестировали две автомобильные компании Германии.

Графеновые аккумуляторы разработаны в Испании

Электромобиль считается весьма перспективным видом транспорта, несмотря на меньшую мощь и скорость, по сравнению с традиционными автомобилями на жидком топливе. Самые современные серийные электромобили на литиевых аккумуляторах требуют для зарядки несколько часов, при этом хватает заряда едва ли на 300 километров. По сравнению с этим, новые графен-полимерные аккумуляторы испанской компании Graphenano, разработанные совместно с учеными из Национального университета Кордовы, выглядят революционным чудо-источником, полностью устраняя недостатки традиционных литий-ионных батарей.

На данный момент Graphenano — ведущий в мире производитель графена в промышленных объемах, и уже наработанный инженерами опыт позволяет назвать их профессионалами на этом революционном пути.

Графен чрезвычайно легок, лист площадью 1 квадратный метр весит 0,77 грамма, он прозрачен, гибок, водонепроницаем, в 200 раз прочнее стали, и при всем при этом не представляет угрозы загрязнения для окружающей среды. После повреждений материал легко восстанавливается. Сверхвысокая электропроводность графена позволяет получить скорость в чипах в 100 раз большую, чем у современных кремниевых чипов. Графен легко проводит тепло, генерирует электроэнергию, и способен менять свои свойства в сочетании с другими материалами.

Графеновые аккумуляторы, принцип действия

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. Выпуск первых аккумуляторов с высокой добавочной стоимостью запланирован на 2016 год. 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). Тестовые результаты уже превысили 1000 Ватт-часов на килограмм для нового графен-полимера. Не удивительно, что Graphenano заключили договора о сотрудничестве со многими лидерами аэрокосмической и автомобильной отраслей. И также с компаниями, занимающимися возобновляемыми источниками энергии.

История открытия графена

В 2004 году русские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм, работающие в Манчестерском университете (Манчестер, Великобритания) смогли получить графен на подложке оксида кремния. Это была стабильная двумерная пленка, благодаря связи с тонким слоем оксида (диэлектрика). Параметры пленок углерода толщиной в один атом (в миллион раз тоньше листа бумаги), такие как электрическая проводимость, эффект Шубникова-де Гааза, и эффект Холла были измерены тогда учеными. Новоселов и Гейм получили за эти передовые работы в 2010 году Нобелевскую премию.

Графеновые аккумуляторы, открытие графена

Ныне графен можно по праву назвать революционным материалом XXI века. Этот вариант соединения углерода является самым тонким, прочным, и обладает наивысшей электропроводностью. 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 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.

Из области фантастики в область лабораторных разработок

Говоря о нанотехнологиях, в первую очередь приходят на ум открытие графена и углеродных нанотрубок. Именно с ними связывают ученые прорыв в области электроники и фармакологии в 21 веке. Создание квантовых компьютеров, систем считывания сигналов на клеточном уровне, нанороботов для лечения организма – это только малый перечень открывающихся возможностей. Сейчас эти возможности перешли из области фантастики в область лабораторных разработок.

Особая тема – это микроэлектроника. Современные микропроцессоры и чипы памяти уже преодолевают значение технологических норм в 10 нанометров. Впереди рубеж 4-6 нм. Но чем дальше двигаются разработчики по пути миниатюризации, тем сложнее задачи приходится решать. Инженера вплотную приблизились к физическим пределам кремниевых чипов. Те, кто интересуются современными микропроцессорами, знают, что их быстродействие затормозилось на тактовой частоте около 4 ГГц и дальше не увеличивается. Кремний является прекрасным материалом для микроэлектроники, но обладает существенным недостатком – плохой теплопроводностью. И с ростом тактовой частоты и плотности элементов этот недостаток становится барьером на пути дальнейшего развития микроэлектроники.

К счастью, сегодня появилась реальная возможность использовать альтернативные материалы. Это графен, двухмерная форма углерода и углеродные нанотрубки, которые являются трехмерной кристаллической формой того же углерода. Уже первые результаты исследований привели к созданию графеновых транзисторов, работающих на частоте до 300 ГГц. Причем, опытные образцы сохраняли свои характеристики при температурах 125 градусов по Цельсию.

Перспективы практического применения графена

Открытие графена вызвало реакцию, подобную разорвавшейся бомбы. После десятилетий полной уверенности, что двухмерной модификации углерода не существует, вдруг оказалось, что с помощью достаточно простых процессов его можно получать в неограниченном количестве.

Только зачем?

Дело в том, что подобная модификация углерода обладает свойствами, которые, обычно сдержанные ученые, наделяют эпитетами фантастические, чудесные, уникальные. И им можно поверить. Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена. Даже короткий перечень впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое. Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзисторов на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок. Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.

Не стоит думать, что все эти применения – дело отдаленного будущего. В гонку практической реализации научного открытия включились гиганты электронной индустрии — корпорация IBM, Samsung и множество коммерческих исследовательских лабораторий. По мнению специалистов, в ближайшее десятилетие графен станет привычным материалом. А некоторые шутят, что Силиконовую долину в Калифорнии придется переименовывать на Графитовую.

В 2004 году русские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм, работающие в Манчестерском университете (Манчестер, Великобритания) смогли получить графен на подложке оксида кремния. Это была стабильная двумерная пленка, благодаря связи с тонким слоем оксида (диэлектрика). Параметры пленок углерода толщиной в один атом (в миллион раз тоньше листа бумаги), такие как электрическая проводимость, эффект Шубникова-де Гааза, и эффект Холла были измерены тогда учеными. Новоселов и Гейм получили за эти передовые работы в 2010 году Нобелевскую премию.

Ныне графен можно по праву назвать революционным материалом XXI века. Этот вариант соединения углерода является самым тонким, прочным, и обладает наивысшей электропроводностью. 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 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.

Тем временем, инженеры из Испании разработали на основе графена аккумуляторную батарею нового поколения. Она получилась на 77% дешевле литиевых аналогов, в два раза легче по весу, а благодаря уникальным электропроводным свойствам графена, может быть полностью заряжена всего за 8 минут, и этого заряда хватит на 1000 километров пробега электромобилю.

Новые батареи уже протестировали две автомобильные компании Германии. Электромобиль считается весьма перспективным видом транспорта, несмотря на меньшую мощь и скорость, по сравнению с традиционными автомобилями на жидком топливе, ведь основные потребности большинства людей он удовлетворяет вполне.

Самые современные серийные электромобили на литиевых аккумуляторах требуют для зарядки несколько часов, при этом хватает заряда едва ли на 300 километров. По сравнению с этим, новые графен-полимерные аккумуляторы испанской компании Graphenano, разработанные совместно с учеными из Национального университета Кордовы, выглядят революционным чудо-источником, полностью устраняя недостатки традиционных литий-ионных батарей.

На данный момент Graphenano — ведущий в мире производитель графена в промышленных объемах, и уже наработанный инженерами опыт позволяет назвать их профессионалами на этом революционном пути.

Графен чрезвычайно легок, лист площадью 1 квадратный метр весит 0,77 грамма, он прозрачен, гибок, водонепроницаем, в 200 раз прочнее стали, и при всем при этом не представляет угрозы загрязнения для окружающей среды. После повреждений материал легко восстанавливается. Сверхвысокая электропроводность графена позволяет получить скорость в чипах в 100 раз большую, чем у современных кремниевых чипов.

Графен легко проводит тепло, генерирует электроэнергию, и способен менять свои свойства в сочетании с другими материалами — в нем могут пересекаться даже мельчайшие атомы гелия.

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.

Выпуск первых аккумуляторов с высокой добавочной стоимостью запланирован на 2017 год. 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).

Тестовые результаты уже превысили 1000 Ватт-часов на килограмм для нового графен-полимера. Не удивительно, что Graphenano заключили договора о сотрудничестве со многими лидерами аэрокосмической и автомобильной отраслей, а также с компаниями, занимающимися возобновляемыми источниками энергии.

Графеновый аккумулятор – современные технологии

Даже те, кто мало разбирается в технике, знают, что любой автономной системе, работа которой связана с электричеством, требуются независимые источники электроэнергии. Это мобильные устройства, транспортные средства, оборудованные аккумуляторами и батареями.

«Батарейки», широко используемые сейчас, ограничены в объеме и имеют непродолжительный срок службы. Графеновый аккумулятор этих недостатков лишен. В статье пойдет речь о том, что собой представляют такие батареи, как они устроены, какие у них достоинства и недостатки и где их можно найти.

О материале графен

Известно две формы углерода – графит и алмаз. Первый используется в качестве стержней карандашей, алмаз – наиболее прочный материал на всей планете. В 2004 году российские ученые «получили» ранее неизвестную, третью форму – графен.

Сам графен – это вещество пленкообразной структуры, «собранное» из атомов углерода (как гласит википедия). В природных условиях эту двумерную пленку не встретишь. Изготавливается она человеком, для чего требуются повышенное давление и температура.

По факту, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка.

Электроны в веществе сохраняют свою подвижность, поэтому открытый в 2004 году материал годится для «внедрения» в полупроводниковые схемы, батареи и нанотехнологии. Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость.

Графеновые аккумуляторы

«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.

На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.

Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.

Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.

Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.

Есть две технологии производства графеновых источников питания:

  • американская модель. Источником реакции выступают кобальтат литий и катод из перемежающихся пластин кремния и графена;
  • российская модель. Магний-графеновая модификация, в которой литиевую соль (анод) заменили на оксид магния (доступное и менее токсичное вещество).

У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.

Преимущества и недостатки

Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:

  • исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
  • малый вес. Масса 1 м 2 графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
  • экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
  • высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
  • поврежденные участки быстро восстанавливаются;
  • проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;
  • высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
  • технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
  • быстро заряжается.

Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.

Устройство

Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.

Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.

Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Особенности магний-графенового аккумулятора

Первые магниевые батареи были разработаны испанскими учеными в 2017 году. Графеновые аккумуляторы, в которых электролитом выступает магний, более емкие и быстрее заряжаются.

Нередко это изобретение относят к батареям нового поколения. При этом, они на 77% дешевле и на 50% легче литий-ионных аналогов.

Высокая подвижность ионов позволяет зарядить такой аккумулятор за 8 минут. А максимальной емкости достаточно, чтобы электромобиль смог проехать 1000 км.

Принцип действия любых аккумуляторов – химические процессы окисления и восстановления. Магний, который стоит практически в 20 раз дешевле лития, выбран неслучайно.

Магний, как литий, не взрывоопасен при контакте с жидкостью, также его легче утилизировать. Да и запасов его на планете куда больше.

По мнению ученых, новые магний-графеновые батареи будут иметь емкость в 2,5 раза больше, чем у традиционных литиевых источников питания.

Немецкие автомобильные концерты приняли такую батарею на тестирование. Тест оказался успешным и пошли разговоры об использовании аккумуляторов в промышленности.

Электромобиль, работающий без использования ископаемых источников топлива, не будет таким же быстрым, как транспортное средство на бензине или «дизеле». Но снижается цена питания и обслуживания. А это уже значимый шаг, который еще более отображает перспективность машин на электричестве.

По их мнению, подобные источники питания станут еще безопаснее, более стойкими к возникновению коротких замыканий.

Где купить аккумулятор

Аккумуляторы, сделанные из графена, пока что остаются только в виде проектов. Если они будут реализованы, то получатся батареи, которые смогут в течение года работать без подзарядки. Пока что заряд приходится постоянно пополнять и все знают, сколько примерно заряжаются литий-ионные «пластины».

Достаточно представить, что в одной коробочке, размером с пачку масла, может вмещаться 1 мегаватт энергии – такое изобретение кто-то захочет использовать как оружие с немалой поражающей мощностью. Производители продолжают тестировать новинку на своих автомобильных концернах, доводя ее до «норм».

Углеродные источники питания – технология, которая найдет отклик в будущем, когда будут отлажены все технические тонкости производства. Тогда, может быть, появятся и первые смартфоны с графеновыми аккумуляторами, которые будут заряжаться за несколько минут.

Графеновый аккумулятор — особенности эксплуатации магний-графеновых АКБ

Мы уже не раз во многих статьях затрагивали тему графеновых аккумуляторов. Каждый год мы пишем о них, но производители никак не начнут выпускать смартфоны с подобными аккумуляторами. Дело в том, что пока производство такого аккумулятора слишком дорогое, однако уже в ближайшие несколько лет всё может сильно измениться. Аккумуляторы являются одним из самых важных моментов, влияющих на развитие рынка смартфонов, да и в целом мобильных гаджетов. Чем современнее аккумулятор и чем больше емкости при меньшем размере он предлагает, тем большую мощность производители могут использовать в телефонах. Таким образом производители мобильных процессоров смогут устанавливать более производительные чипсеты, не беспокоясь по поводу автономности.

Что такое графеновый аккумулятор?

В данном материале мы рассмотрим графеновые аккумуляторы и попытаемся понять, чем они так хороши. А начнем мы с того, что уже сейчас очевидно, что графеновые аккумуляторы станут заменой текущим литий-ионным батареям. Еще одной интересной технологией поделились ребята из Стэнфордского университета.

Устройство графенового аккумулятора

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

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

Зарубежные научные корпорации пошли по пути создания графеновых накопителей энергии с электролитом в виде LiCoO2. Идут разработки, уже имеется опытное производство аккумуляторов с 2020 года. Первой стала испанская компания Graphenano. На зарядку графенового аккумулятора требуется всего 8 минут. При этом заявлено, что емкость литий-графеновых аккумуляторов в 10 раз больше, чем литий-ионных.

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

Не остались в стороне разработчики в области IT-технологий. Графеновые аккумуляторы входят в производство. Уже в 2020 году эксперты из компании Elecjet выпустят портативный заряжающий аккумулятор USB-C на графеновой основе. Зарядить телефоны iPhone 5,6,7 можно будет за 5-10 минут.

В январе 2020 года компания Samsung обещала поставить в торговые сети новый смартфон Galaxy S9 с настоящей графеновой батареей. При емкости в 3000мА/ч заряжаться телефон будет 15 минут. Компания получила патент на графеновый аккумулятор для смартфонов и будет единственным мировым поставщиком.

Перспективы графена

Массовая эксплуатация изделий из такого материала приведет к созданию новых отраслей промышленности, откроет огромные перспективы для научных разработок. Такие изделия можно будет использовать на производстве, а также для хозяйственных целей. Крупное производство такого энергоносителя, позволит создать:

  • Производственные линии, изготавливающие этот новый материал.
  • Новые электромобили.
  • Специальные электрозаправки.
  • Открытие электростанций.
  • Компактные ЭВМ.
  • Улучшить экологическую составляющую автотранспорта.


Графеновый аккумулятор для электромобиля

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

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

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

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

Что за материал графен?

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


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

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

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


Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

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

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

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

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

Устройство АКБ на основе графена

Теперь стоит рассмотреть особенности устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, поскольку именно в этой сфере могут применяться такие источники питания.

Интересно, что принцип работы ничем не отличается от того, как работают обычные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Здесь также протекают аналогичные электрохимические процессы. Но, разумеется, реакции внутри АКБ совершенно иные.

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

Рассматриваемый тип батарей можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами, поскольку по устройству они во многом похожи. Уже существует несколько технологий, позволяющих создавать графен-полимерные источники питания:

  1. Одна из технологий предусматривает чередование пластин из графена и кремния, которые используются в качестве катода. При этом в роли анода применяют кобальтат лития.
  2. Другая технология подразумевает, что вместо кобальтата задействуют более финансово доступный оксид магния, а катод останется аналогичным. Если судить по стоимости, сочетание магния и графена при создании АКБ обойдётся значительно дешевле, если сравнивать с аналогичным вариантом с использованием лития. Магний-графеновые АКБ вызывают повышенный интерес у автопроизводителей. Ведь потенциально при установке таких батарей на электрокар можно увеличить проходимую дистанцию автомобиля до 1000 километров без остановок на дозарядку. При этом полная зарядка будет занимать около 10 минут. Правда, для работы с графеновыми АКБ потребуются специальные зарядные устройства, которыми планируется оснастить АЗС.

Многие эксперты уверены, что именно за счёт повышения автономного пробега удастся привлечь повышенное внимание к электрическим машинам и наконец-то запустить плавный переход от ДВС к электромоторам.

Чтобы создать графеновые АКБ, применяют литий. Но это не самый распространённый и часто встречающийся природный материал. Его запасов объективно недостаточно для того, чтобы покрыть спрос со стороны автопроизводителей. Потому инженеры активно работают над созданием устройств, способных обеспечить замену лития на магний.

Какие именно характеристики смогут на практике обеспечить графеновые аккумуляторы при оснащении электромобилей, пока спрогнозировать сложно. Но специалисты не сомневаются, что будущее за графеном.

Графеновый аккумулятор своими руками

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

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

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

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

Где купить аккумулятор

Аккумуляторы, сделанные из графена, пока что остаются только в виде проектов. Если они будут реализованы, то получатся батареи, которые смогут в течение года работать без подзарядки. Пока что заряд приходится постоянно пополнять и все знают, сколько примерно заряжаются литий-ионные «пластины».

Пока что графен – малоизученная структура, поэтому власти не спешат давать ему «зеленый свет».

Достаточно представить, что в одной коробочке, размером с пачку масла, может вмещаться 1 мегаватт энергии – такое изобретение кто-то захочет использовать как оружие с немалой поражающей мощностью. Производители продолжают тестировать новинку на своих автомобильных концернах, доводя ее до «норм».

Углеродные источники питания – технология, которая найдет отклик в будущем, когда будут отлажены все технические тонкости производства. Тогда, может быть, появятся и первые смартфоны с графеновыми аккумуляторами, которые будут заряжаться за несколько минут.

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

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

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

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

Испания и Китай

С Graphenano сотрудничает китайская компания Chint, которая купила 10 % акций испанской корпорации за 18 миллионов евро. На совместные средства будет осуществляться постройка завода с двадцатью производственными линиями. Проект уже получил около 30 миллионов инвестиций, которые будут вложены в установку оборудования и наем сотрудников. По первоначальному плану завод должен был начать выпускать около 80 миллионов батарей. На начальном этапе основным рынком должен стать Китай, а затем планировалось начало поставок в другие страны.

На втором этапе компания Chint готова инвестировать 350 миллионов евро для постройки еще одного завода, на котором будет около пяти тысяч сотрудников. Такие цифры неудивительны, если учесть, что суммарный доход будет составлять около трех миллиардов евро. К тому же Китай, известный своими проблемами с экологией, будет обеспечен экологичным и дешевым «топливом». Однако, как мы можем наблюдать, кроме громких заявлений, свет не увидел ничего, только тестовые модели. Хотя корпорация Volkswagen тоже объявила о своем намерении сотрудничать с Graphenano.

Альтернативные разработки

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

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

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

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


4 отличных метода изготовления графена в домашних условиях, вместе с основами графена

Что такое графен?

Графен — однослойный углеродный полимер.

Графен состоит из чистого углерода. Это материал, в котором атомы углерода расположены в один слой, образуя сотовый узор. Следует подчеркнуть, что этот слой углерода имеет толщину всего один атом, хотя некоторые авторы считают до десяти слоев углерода графеном. Если бы мы наложили друг на друга десять или более слоев графена, полученное вещество называлось бы графитом, что мы и используем в грифелях карандашей.

Термин графен был придуман Ханс-Петером Бёмом. Некоторые ученые называют графен термином «полупроводник с нулевой запрещенной зоной». Он также известен под вариантами написания, такими как графен и графен, но они неверны для английского языка, хотя они могут быть действительными на других языках.

Если вы заинтересованы в создании собственного графена, прокрутите вниз до раздела «Как сделать графен в домашних условиях» или посетите отдельную страницу только с инструкциями по изготовлению графена.Вы, вероятно, захотите прокрутить вниз, если уже слышали о создании графена с помощью DVD-привода Lightscribe, но вам нужно немного оксида графита в качестве отправной точки. Если вы хотите инвестировать в графен или технологии, связанные с графеном, ознакомьтесь с разделом «Как инвестировать в графен».

Открытие графена

Графен был теоретически предсказан Филлипом Р. Уоллесом в его работе под названием «Теория полос графита», опубликованной в Physical Review в 1947 году.Графен был открыт в 2003 году Андре Геймом и Костей Новоселовым в Манчестерском университете, а результаты были опубликованы в 2004 году. За эту работу они были удостоены Нобелевской премии 2010 года. Чтобы прояснить это, хотя графен успешно выращивался на различных монокристаллических подложках с 1970-х годов, Только в 2003 году графен был наконец выделен в свободной форме. Интересно знать, что использовали обычные липкие лента для производства небольшого количества графена.Это очень важно, потому что электрические и физические свойства графена значительно различаются, когда он находится в свободном состоянии. в отличие от привязки к поддерживающей кристаллической структуре.

Свойства графена

Графен обладает рядом очень интересных свойств. Как мы узнали, графен представляет собой сотовую структуру, состоящую исключительно из атомов углерода. Мы делаем все возможное, чтобы объяснить эти свойства простым языком. Если вы хотите сами увидеть цифры вместе с нашими источниками, пожалуйста, посетите нашу страницу о свойствах графена.Эта страница может пригодиться если вы занимаетесь научным исследованием или просто хотите узнать, где найти точную информацию. Если иное не отмечено, Основное внимание в этой статье уделяется графену свободной формы.

Электронная транспортная система и подвижность электронов

Очень важным свойством графена является его уникальная электронная транспортная система и, как следствие, высокая подвижность электронов. Подвижность электронов описывает, насколько быстро электрон может двигаться через материал.Металлы и полупроводники представляют особый интерес из-за их использования в электронике.

Скорость электронов ограничена взаимодействиями с кристаллической решеткой. С точки зрения непрофессионала, когда электрон движется через материал, он сталкивается с атомами, составляющими материал, и эти столкновения замедляют электрон, ограничивая его максимальную скорость (тем самым нагревая материал, создавая кошмары для инженеров, работающих над этим). В действительности, конечно, немного сложнее, но этого приближения достаточно для нашего обсуждения.

Хотя кремний, который является основой современной микроэлектроники, имеет подвижность электронов 2 / Vs, графен имеет подвижность электронов 200000 см 2 / Вс, что почти в 200 раз выше, чем у кремния. Это означает, что электроны движутся через графен намного быстрее.

Графен превосходит кремний по скорости

Судя только по этому факту, теоретически электронные устройства на основе графена могут работать почти в 200 раз быстрее, чем обычные устройства на основе кремния.Исследователям IBM удалось достичь частоты отсечки до 280 ГГц в графеновом полевом транзисторе с длиной затвора 40 нм. Ученые ожидают увидеть в 2013 году частоты отсечки графеновых полевых транзисторов до 600 ГГц. в то время как теоретический предел составляет примерно до 10 ТГц, если длина затвора сохраняется на уровне нескольких нм. Для сравнения, кремний-германиевые (SiGe) транзисторы достигают максимальной рабочей частоты ниже 100 ГГц. Будем надеяться, что прорыв в области графена поддержит закон Мура.

Низкое сопротивление

Еще одно свойство графена, тесно связанное с высокой подвижностью электронов, — это его низкое удельное сопротивление.Удельное сопротивление листа графена 10 -6 Ом * см. Чтобы увидеть это число в перспективе, удельное сопротивление графена ниже удельного сопротивления серебра при комнатной температуре. Кстати, при комнатной температуре серебро было материалом с самым низким удельным сопротивлением, известным ученым — то есть до появления графена.

Почему графен в свободной форме лучше?

Графен свободной формы действует как волновод для электронов. Это означает, что они могут свободно течь без столкновений, со скоростью примерно 1/10 скорости света в вакууме.Однако, когда графен выращивается на такой подложке, как SiO2, подвижность его электронов уменьшается в пять раз. Снижение подвижности электронов является следствием чувствительных электронных орбиталей графена, которые меняют форму при контакте с другими материалами. Вот почему ученые исследуют способы более эффективного производства графена в свободной форме и взаимодействия с ним.

Графен, вероятно, пока звучит как довольно крутой материал. Если вы заинтересованы в создании собственного графена, прочтите, как сделать графен, или просто продолжайте читать, информация находится ниже на странице.

Графеновые транзисторы и графеновая логика

Транзисторы в цифровых схемах имеют два различных состояния: ВКЛ и ВЫКЛ (транзисторы на самом деле имеют несколько разных состояний, помимо ВКЛ и ВЫКЛ, но эти два представляют основной интерес в этом обсуждении). Чистый графен создает проблемы, проводя значительный ток даже в выключенном состоянии. Графен проводит ток в выключенном состоянии, потому что это полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Полупроводник с нулевой запрещенной зоной не нуждается во внешнем электрическом поле, чтобы стать проводящим.Результат: графеновые логические вентили обладают высокой рассеиваемой статической мощностью — они потребляют энергию как при включенном, так и при выключенном устройстве. Есть два подхода к решению этой проблемы: уменьшить длину затвора или использовать легированный графен.

Графен можно легировать так же, как и кристалл кремния. При легировании ионами калия подвижность электронов может быть уменьшена до 20 раз. В таких случаях желательным эффектом является контролируемое снижение подвижности электронов. Необходимы дополнительные исследования для определения оптимальных допантов и их концентраций.

Самовосстанавливающиеся свойства

Одно интересное свойство графена — самовосстановление. Это означает, что если мы удалим атом углерода из любого места в пределах листа графена, а затем подвергните лист воздействию атомов углерода или некоторых углеродсодержащих молекул, одна из них идеально встанет на место, заполнение отверстия, созданного удаленным атомом углерода, и вписывание в шестиугольный узор. Способность к самовосстановлению имеет большое значение для нанотехнологий, поскольку единственный случайный ион может пробить дыру в наноструктуре, делая ее бесполезной.Если наноструктура может самовосстановиться, она сможет противостоять суровым воздействиям окружающей среды.

Теплопроводность

Графен — очень хороший проводник тепла. Фактически, он настолько эффективно проводит тепло, что вы можете разрезать кубик льда. с помощью листа графена. Графен поглощает тепло ваших пальцев, когда вы его держите, и передает и концентрирует тепло в небольшом область контакта графенового «лезвия» со льдом. Лед мгновенно тает, и по мере его таяния выделяется все больше и больше тепла. передается из вашей руки через графен и, наконец, на лед, растапливая его дальше.

Относительная прочность материала по отношению к весу

Легкий материал на основе графена.

Этот захватывающий новый материал — один из самых прочных материалов, известных науке. Благодаря одноатомной толщине, графен может быть упакован в небольшой объем, сохраняя при этом чрезвычайно большую площадь поверхности. Один квадратный метр (10,7 квадратных футов) графена весит менее 1 миллиграмма. Это делает его материалом с превосходным соотношением веса к площади и площади к объему по сравнению с другими материалами с высокой удельной площадью.Несмотря на то, что углеродный слой очень прочный, его толщина составляет всего один атом, и он легко ломается. Это делает работу с графеном непростой задачей. сложная задача. Ученые разработали материалы на основе графена, которые используют уникальные свойства графена, делая его достаточно толстым, чтобы выдерживают гораздо более высокие нагрузки.

Как купить графен?

Графен доступен у ряда торговых посредников онлайн и офлайн. Цена на графен на данный момент не очень привлекательная: около 300 долларов (ок.250 евро) на 1 грамм чистого нанопорошка графена, отфильтрованного 3 нм. Конечно, ожидается, что цена на графен будет снижаться по мере увеличения числа производителей. В качестве альтернативы, если вы хотите зарабатывать деньги, а не тратить их, взгляните на статью «Как инвестировать в графен».

Оказывается, многие читатели хотят сделать графен дома, поэтому вот спойлер: можно создавать небольшие количества. самодельного графена! Однако, хотя это возможно, сделать значительные суммы непросто.Фактически, на момент написания этой статьи ученые до сих пор не знают, как эффективно производить графен в больших количествах и с высоким качеством, потому что технологические процессы еще не разработаны. Тем не менее, изготовление графеновых листов своими руками в небольших количествах довольно тривиально.

Биты, которые вы сможете изготовить в домашних условиях, будут иметь длину всего несколько нанометров, так что забудьте о макроскопических листах или полосах графена. Самый большой кусок графена, который вы можете сделать самостоятельно, — это около 0.25мм 2 (но их будет много). Это не намного больше, чем площадь восклицательного знака на этой веб-странице! В промышленных целях ученые создают транзисторы с длиной затвора менее 25 нм … так что ваш кусок размером с точку графен, хотя он кажется вам ничтожно маленьким, может быть использован для изготовления сотен транзисторов. Все еще заинтересованы в создании графена? Отлично, читайте дальше!

Метод 1: липкая лента

Первый способ DIY — использовать графитовый карандаш, чтобы нанести толстый слой графита. на бумагу.Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой скотч, чтобы удалить слой графита с первой липкой ленты. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой с второй кусок липкой ленты и т. д. Со временем слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен, который является однослойным графитом в строгом смысле слова, двухслойным или многослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен).Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь подтверждением концепции, метод липкой ленты работает. Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который манчестерская группа использовала в 2004 году. И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что с липкой лентой не стоит связываться!

Метод 2: кухонный блендер

Группа ученых опубликовала свою статью 20 апреля 2014 года, в которой они описывают, как сделать графен, используя подход. называется жидким отшелушиванием сдвигом.Вы можете найти аннотацию статьи здесь, но полная статья находится за платным доступом.

Отшелушивание со сдвигом в жидкости начинается с заливки порошкообразных кристаллов в жидкость, а затем с помощью миксера со сдвигом для разделения (расслоения) слои материала из хрусталя. Жидкость, которая используется в таких процессах, выбирается таким образом, чтобы мелкие частицы графена не снова слипаются, и в результате получается жидкая суспензия графена. Затем суспензия может быть высушена для получения нанофлексов графена или его можно было бы напрямую использовать в более поздних технологических процессах, таких как создание графеновых покрытий и другие.

Итак, как с помощью этого метода сделать дома графен? Что ж, вы можете заменить ножницы на кухонный блендер. (поскольку смешивание со сдвигом — это модное слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей вы можете использовать воду и средство для мытья посуды. Моющее средство добавляется так, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество. Прекрасным источником графитового порошка являются графитовые карандаши. Просто припудрите несколько грифелей карандашей и добавьте порошок в раствор моющего средства, затем перемешайте некоторое время.Если у вас нет доступа к специальные микроскопы и другое оборудование, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в вашем растворе моющего средства, но есть быстрое практическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена слишком большие, они опустятся на дно сосуда, а если они меньше, они будут плавать наверху. Наночастицы настолько малы, что они будут подвешены в воде, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите получить графен.После того, как вы сделаете достаточно графена частиц, вы можете отфильтровать суспензию и дать ей высохнуть.

При этом, хотя этот метод изготовления графена был описан в упомянутой выше статье и сработал для исследователей, не слишком увлекайтесь тем, что делаете это дома таким образом. Это беспорядочно и создает очень маленькие нано-чешуйки графена, не то, что нужно. хвастайтесь перед друзьями, если только у вас в подвале нет лаборатории высоких технологий и вы не собираетесь использовать их для изготовления графеновых транзисторов.С другой стороны, эта технология вместе с Отшелушивание жидкой фазы с помощью ультразвуковой обработки может определить, как графен будет производиться в будущем в промышленных условиях, из-за его масштабируемости.

Метод 3: Устройство записи DVD — подход к технологии LightScribe

Для изготовления графена этим методом требуется компьютерный DVD-привод с технологией LightScribe, а также немного оксида графита. Вы можете получить оксид графита у производителя, или вы можете сделать немного оксида графита дома для этот эксперимент.Если вы хотите узнать, как сделать оксид графита в домашних условиях, прокрутите вниз до следующего раздела

Оксид графита водорастворим, поэтому после смешивания с водой осторожно перелейте его на DVD. диск. Убедитесь, что раствор оксида графита равномерно распределен по пластиковой поверхности диска. После решения После высыхания и образования пленки оксида графита на диске, поместите диск в привод DVD пленкой вниз. Используйте программное обеспечение LightScribe, чтобы прожечь слой оксида.Области пленки, контактирующие с лазерный луч превратится в графен. Лазерный луч вызывает химическое восстановление, которое восстанавливает оксид графита до графена. Полученный слой графена следует осторожно снять с диска и разрезать на кусочки подходящего размера. шт. Эти кусочки можно использовать непосредственно для создания графенового суперконденсатора! Это, пожалуй, самый простой способ сделать графен дома, но он предполагает, что у вас есть доступ к оксид графита и привод Laserscribe.

Один читатель предположил, что DVD-лазер LightScribe можно заменить простой ксеноновой вспышкой. Если у вас есть фото-вспышка, вы также можете попробовать этот подход и сообщить нам о результатах в разделе «Контакты в домене нашего сайта». Еще один совет: НЕ делайте этого если вас не устраивает аннулирование гарантии на записывающее устройство DVD.

Метод 4: Образование пленки на границе раздела гептан-вода

Нефть на воде.

Это новейший рецепт графена своими руками, который мы слышали до сих пор.Он включает в себя немного физики жидкости, чтобы сначала объяснить, что здесь происходит. Если вы нальете в воду нерастворимую в воде жидкость, она либо будет плавать на поверхности воды, либо вода будет плавать на ней, в зависимости от того, тяжелее (более плотно) или легче (менее плотно) добавленная жидкость, чем вода. Типичный пример — плавающая нефть. поверх воды (см. изображение).

Одна группа ученых [1] обнаружила, что графен можно получить, залив два растворителя, которые не смешивать вместе, например, гептан и воду, в стакан и добавлять мелко измельченный графитовый порошок и помещать его в ванну для обработки ультразвуком.Вы можете купить гептан в большинстве магазинов химии, вода легко доступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду), и вы можете легко получить графитовые палочки в художественных магазинах. Ультразвуковая ванна необходима, но это не редкость на ebay и т.п. Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен. Его можно извлечь и положить на чистую стеклянную пластину, или любой другой субстрат.

Графен на границе раздела вода-гептан.

Идея состоит в том, чтобы смешать тонкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1: 1) и некоторое время обработать ультразвуком.Далее происходит расслоение чешуек графита на границе раздела воды и гептана, и графен фактически начинает «подниматься». вверх по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, вводится через границу раздела, тонкая пленка графена также будет подниматься по стенкам слайда. Затем стеклянное предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется стекло с графеновым покрытием. Если вы используете полиэтиленовый флакон, полученный графен не будет взбираться по стенкам флакона, но вы можете все же извлеките его с помощью предметного стекла из стекла или другого гидрофильного материала.Результат показан на изображении справа.

Графен на стекле.

Конечный продукт этого процесса создания графена показан на изображении слева. Графен нанесен в виде тонкой пленки на обе стороны стеклянной пластины. и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, посмотрев сквозь него (Графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что графен самостоятельно собирается из небольших отслоившихся чешуек на границе раздела между водой и гептаном, потому что поверхность напряжение графена (54.8 мН / м) почти прямо между поверхностным натяжением воды (72,9 мН / м) и гептана (20,1 мН / м). Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела, и избыток графена просто упадет до дно флакона. Формирование толстых агрегатов подавляется за счет диффузии и потребности в энергии, необходимой для сформировать новый слой. Для получения дополнительной информации см. Исходный документ [1]

Возможно, это самый простой способ сделать дома графен в виде листа произвольно большого размера.Другие методы создают только графен хлопья, но эти хлопья, возможно, могут быть использованы вместо чешуек графита в этом методе в качестве стадии очистки. Попробуйте и дайте нам знать, как это происходит!

Как сделать оксид графита в домашних условиях?

Заявление об ограничении ответственности

Чтобы сделать графен дома описанным выше методом DVD, вам понадобится оксид графита. Вы можете купить оксид графита из различных источников, в том числе в Интернете, или вы можете попробовать сделать оксид графена самостоятельно.В этом тексте мы объясним, как вы можете сделать оксид графена в домашних условиях. Процедура относительно проста, и большинство ингредиентов можно купить без рецепта. Однако учтите, что это НЕ безопасная процедура, и следование этому руководству может привести к взрывам, пожарам и серьезным травмам. По понятным причинам, если вы решите сделать это самостоятельно, соблюдайте меры предосторожности при работе с кислотами и взрывчатыми материалами. Фактически, мы считаем, что, если вы не являетесь лицензированным химиком, вам лучше покупать оксид графена, чем пытаюсь сделать это дома.Мы предлагаем этот текст только как образовательный ресурс. Переходя к чтению следующий текст, вы подтверждаете, что понимаете риски работы с химическими веществами, перечисленными в тексте, и имеете полный понимание всех химических реакций и опасностей, которые они представляют для вашего здоровья и безопасности. Чтобы избежать дыма и возгорания, Проведите этот эксперимент на открытом воздухе в контролируемой, хорошо вентилируемой среде. Несмотря на то, что позаботились о убедитесь, что в тексте нет ошибок, мы не несем ответственности за возможные ошибки, оставшиеся в тексте.

Если у вас есть доступ к лаборатории и вы делаете это для проекта или эксперимента, напишите нам и расскажите, как все прошло. Мы хотели бы включить сюда вашу историю успеха.

Введение

Оксид графита известен уже почти 150 лет. Впервые он был подготовлен в 1859 году. В процесс внесены улучшения. с тех пор, и многие исследователи в этой области прокомментировали потенциальные опасности и риски, связанные с первоначальной процедурой, как описанный Б.Броуди, который первым открыл этот процесс. Описанный здесь метод занимает около 2 часов при температуре ниже 45 градусов. по Цельсию, если у вас есть доступ к центрифуге. Если вы этого не сделаете, то лишняя вода испарится из контейнера примерно через день.

Порядок действий

Размешайте 100 г порошкового графита с 50 г нитрата натрия в 2,3 л технической серной кислоты. Обязательно смешайте ингредиенты в герметичном контейнере, намного превышающем необходимый, помещенном в ледяную баню с температурой 0 градусов Цельсия в качестве меры безопасности.Контейнер должен быть объемом не менее 15-20 литров.

ОСТОРОЖНОСТЬ! Добавьте в смесь 300 г перманганата калия, постоянно перемешивая ингредиенты. НЕ добавляйте все 300 г за один раз. Вместо этого осторожно добавляйте перманганат калия грамм за граммом, чтобы смесь не нагревалась выше 20 градусов по Цельсию! ОСТОРОЖНОСТЬ! Перманганат калия — мощный окислитель, который при контакте окрашивает кожу и другие органические материалы, такие как одежда. При смешивании с серной кислотой образуется взрывоопасный оксид марганца, поэтому необходимо соблюдать все меры безопасности! Убедитесь, что максимум температура не превышена.

После добавления перманганата в смесь снимите ледяную баню и доведите температуру до 35 градусов по Цельсию. Точно и осторожно поддерживайте эту температуру в течение 30 минут. На этом этапе смесь загустеет, и количество выделенного газ уменьшит. Примерно через 20 минут ожидайте, что смесь будет коричневато-серой и пастообразной консистенции.

ОСТОРОЖНОСТЬ! По прошествии 30 минут медленно и осторожно добавьте в смесь 4,8 л воды, помешивая.Добавление вода вызовет экзотермическую реакцию, которая увеличит температуру смеси почти до 100 градусов по Цельсию, и при бурной реакции будет выделено большое количество газа! Поддерживайте температуру 98 градусов по Цельсию еще 15 минут. ОСТОРОЖНОСТЬ! Теперь смесь станет коричневого цвета.

После поддержания температуры в течение 15 минут разбавьте смесь теплой водой до 14 литров жидкости. Добавить 3% перекись водорода, чтобы уменьшить количество оставшегося перманганата.После добавления перекиси водорода смесь должна стать яркой. желтый.

Отфильтруйте смесь, пока она еще теплая. Фильтр приобретет желто-коричневый цвет. Промыть фильтровальный пирог трижды, всего 14 литров. теплой воды. Полученный оксид графита диспергируют в 32 литрах воды. Чтобы получить сухой оксид графита, вам понадобится мощный центрифуга. Поскольку это, вероятно, недоступно, нагрейте воду, содержащую оксид графита, до 40 градусов по Цельсию и подождите, пока вода не испарится.Лучше всего подойдет широкая емкость, так как большая площадь будет способствовать испарению.

Оксид графита более высокого качества, полученный таким образом, будет иметь ярко-желтый цвет, в то время как оксид графита более низкого качества приобретет от зеленого до черного оттенка. Вы можете использовать этот оксид графита в водном растворе для проведения домашних экспериментов с дисками Lightscribe.

Дополнительная литература

Для вашего удобства мы предоставляем оригинальную бумагу. где описывался этот процесс.Мы использовали эту бумагу в качестве основы для нашего руководства о том, как сделать оксид графита в домашних условиях. В случае сомнений следуйте указаниям из этого документа, а не на нашем веб-сайте. Есть также несколько видеороликов на Youtube, которые показывают весь процесс, и они также могут быть ценным ресурсом.

Мы хотели бы поблагодарить нашего посетителя Геру, которая связалась с нами и указала на опечатку в тексте.

графеновых суперконденсаторов, созданных с помощью процесса «традиционного изготовления бумаги», конкурируют с емкостью свинцово-кислотных аккумуляторов.

Этот сайт может получать партнерские комиссии за ссылки на этой странице.Условия эксплуатации.

Инженеры по материалам из Университета Монаша в Австралии разработали метод производства графеновых суперконденсаторов с такой же плотностью энергии, что и свинцово-кислотная батарея под капотом вашего автомобиля. Эти суперконденсаторы не только примерно в 10 раз более энергоемкие, чем коммерческие устройства, но и способ производства графена внутри суперконденсаторов также кажется новым.Инженеры говорят, что они использовали процесс, похожий на традиционное производство бумаги, и что его можно легко и экономично расширить для коммерческого производства графена и суперкапс на основе графена.

Суперконденсаторы — это, по сути, небольшие батареи, которые могут заряжаться и разряжаться почти мгновенно. Хотя это приводит к очень высокой плотности мощности (много ватт), их плотность энергии, как правило, очень низкая (ватт-часы). Для обычного суперконденсатора мы говорим о плотности мощности, которая в 10-20 раз выше, чем у обычной литий-ионной или свинцово-кислотной батареи, но, с другой стороны, плотность энергии в 10-20 раз хуже.Короче говоря, суперконденсаторы отлично подходят, когда вам нужен короткий всплеск энергии — например, быстрый всплеск ускорения от системы рекуперации кинетической энергии автомобиля (KERS) — но они бесполезны для питания повседневной бытовой электроники, такой как ваш смартфон.

Графен, однако, мог все это изменить. Количество энергии, запасаемой электрохимическим конденсатором, тесно связано с количеством несущего заряд электролита, который контактирует с электродами. Чем выше площадь поверхности электродов, тем больше ионов, несущих заряд, может быть адсорбировано (прикреплено) к электродам, таким образом сохраняя больше энергии.Вы, наверное, видите, к чему все идет. Поскольку графен является самым тонким из известных веществ, он способен обеспечивать удивительно большую площадь поверхности; где-то порядка тысяч квадратных метров (это несколько теннисных кортов, ) на грамм. Площадь поверхности настолько велика, что графен может быть использован для создания суперконденсаторов, которые перекрывают огромный разрыв в плотности энергии между суперконденсаторами и батареями, сохраняя при этом огромную плотность мощности.

Во всяком случае, это теория.Проблема, конечно, как и со всем графеном, заключается в том, что массовое производство графена коммерческого качества по-прежнему очень сложно. Инженеры Monash утверждают, что решили эту проблему, используя процесс, основанный на решении, который «похож на тот, который используется в традиционном производстве бумаги». В основном они начинаются с оксида графита (графена), который восстанавливается до низкосортных хлопьев графена с помощью раствора гидразина и аммиака. Затем к смеси добавляют электролит и растворитель. По мере высыхания смеси летучий растворитель испаряется, вызывая капиллярное действие, в результате чего чешуйки графена собираются вместе, при этом электролит заклинивается между каждой из чешуек.В конце концов у инженеров остается что-то похожее на черный лист бумаги — миллионы слоев графена с кучами заряженного электролита.

Капиллярное действие всасывает хлопья графена вместе, создавая плотную структуру, похожую на бумагу

.

При преобразовании в электрохимический конденсатор этот похожий на бумагу материал имеет объемную плотность энергии почти 60 ватт-часов на литр (Втч / л), что примерно сопоставимо со свинцово-кислотной батареей.Он сохраняет около 90% своей емкости после 50 000 циклов зарядки / разрядки и даже сохраняет 90% заряда через 300 часов.

Дэн Ли, профессор, который руководил работой, говорит: «Мы создали макроскопический графеновый материал, который является шагом вперед по сравнению с тем, что было достигнуто ранее. Он почти на стадии перехода от лаборатории к коммерческой разработке ». Пока неизвестно, когда эти графеновые конденсаторы появятся на рынке, но химическое восстановление оксида графита на основе раствора является одним из наиболее вероятных путей коммерциализации графена.

Теперь читайте: графеновые суперконденсаторы в 20 раз мощнее, их можно изготавливать с помощью записывающего устройства DVD

Исследовательская статья: DOI: 10.1126 / science.1239089 — «Плотная интеграция графеновых материалов с жидкостной связью для компактного емкостного накопления энергии»

Что они собой представляют и почему они 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

Аккумуляторы

Graphene пока не используются для смартфонов и других гаджетов, но технология прогрессирует. 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, на сайте Android Authority. Кажется, это одна 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 аккумуляторные блоки из графенового композита (с использованием графена для улучшения химических свойств), и есть еще много чего, что можно встретить в широком спектре отраслей.

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 обеспечивает очень интересные свойства, в том числе отличную 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 очень быстро заряжаться и разряжаться.

Нерешенная уловка 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 со своим «графеновым шаром». Хотя с тех пор мы больше ничего не слышали. Совсем недавно выяснилось, что Telsa, как сообщается, также заинтересована в технологии для автомобильных аккумуляторов.Точно так же китайский производитель автомобилей GAC планирует установить свою технологию графеновых батарей в своем первом автомобиле в сентябре 2021 года. Мы постепенно приближаемся к коммерческой жизнеспособности, но остаемся далеки от массового внедрения графеновых батарей. Альтернативы графеновому композиту, хотя и дешевле, быстрее выходят на рынок.

Графен и литий-ионный

Как и в литий-ионных (Li-ion) батареях, 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.

Однако 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 уровня 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

Смартфоны будущего, оснащенные графеновыми элементами питания, продемонстрируют описанные выше преимущества. 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 они есть сейчас.

Переход на графен может обеспечить 60% или больше емкости по сравнению с литий-ионным аккумулятором того же размера. В сочетании с лучшим отводом тепла более прохладные батареи также 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

Батареи

Graphene позволили бы смартфонам быть тоньше или предлагать большую емкость батареи, сохраняя при этом их нынешние пропорции.Есть также интересные последствия для быстрой зарядки между устройствами. Благодаря батареям, способным поддерживать очень высокие токи и невероятно быстрому времени перезарядки и разряда, гаджеты могут заряжать друг друга на сверхбыстрой скорости.

Хотя до технологии портативных графеновых батарей еще осталось несколько лет, 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.

Тесла делает графеновую батарею? | Верны ли слухи?

Хотите знать, делает ли Тесла графеновую батарею? Короткий ответ — «вероятно, 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 (электромобили) доступными для широких масс. По данным Statista, на сегодняшний день Model 3 является самой продаваемой в мире моделью электромобиля с подключаемым модулем. В 2019 году ее продано более 300 000 штук по всему миру.

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 содержать 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?

Широко известный как «чудо-материал» 21 века, графен 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 доступны в продаже.Но можно ли использовать графен для создания более совершенных литий-ионных батарей? И если да, то разве это то, чего добивается Тесла? Краткий ответ — «вероятно, нет», но это не все.

Вот краткий обзор того, что вам следует знать о Тесле и графене:

  • Графеновая батарея на 500 миль: Китайское информационное агентство «Синьхуа» несет большую ответственность за слухи о том, что Тесла 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 вышла, потому что Маск сказал, что, по его мнению, можно будет создать электромобиль с запасом хода 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 рынка накапливают: Вместе статья и комментарий Маска по понятным причинам вызвали бурю негодования в сообществе графена — щелкните здесь, 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: Без 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: вызовы и конкуренция

Неудивительно, что существуют препятствия на пути коммерческого 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. Например, крупная технологическая компания Samsung (KRX: 005930) работает над батареей с графеновым шариком, которая может сократить время зарядки с 45 до 12 минут. Конечно, инвесторы хотят знать, как скоро эта новая разработка может быть применена в автомобильном секторе.

Еще есть стартап из Испании под названием Earthdas, который разработал графеновую батарею, которая заряжает мотоциклы и электровелосипеды всего за пять минут. Опять же, люди предполагают, что его можно будет использовать для других транспортных средств — лишь вопрос времени.

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.

Также в 2020 году китайский производитель электромобилей Guangzhou Automobile New Energy объявил, что он разработал батарею с улучшенным графеном, которая может заряжаться до 85 процентов за 8 минут. Гуанчжоу считает, что аккумулятор может быть запущен в серийное производство уже в конце этого года.

Еще одним признаком развития является разработка батареи Sila Nanotechnologies, в которой не используется графитовый анод, а вместо него используется кремний. Эти кремниевые анодные материалы имеют скорость заряда, которая превосходит графитовые элементы, и компания заявляет, что кремниевые аноды обладают способностью поглощать ионы лития с большей скоростью, чем графит, из-за того, что они имеют более высокую плотность энергии.

В соответствии с этим, Enevate — это фирма, которая разрабатывает литиевые батареи на основе кремния, которые, по ее утверждению, обладают более совершенными технологиями по сравнению с графеновыми материалами. «Мы можем поддерживать скорость заряда в 10 раз быстрее, чем у обычного графитового элемента», — сказал CNBC Роберт А. Ранго, генеральный директор Enevate.

Поскольку поверхность графитового анода склонна к растрескиванию, это отрицательно влияет на его способность накапливать энергию. С другой стороны, кремний может адаптироваться к большой площади поверхности.

В целом, похоже, что Tesla — не окончательный ответ 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 прямыми инвестициями ни в одной компании, упомянутой в этой статье.

Графеновые суперконденсаторы: Введение и новости

Графеновые суперконденсаторы

Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный вместе в гексагональной сотовой решетке. Его широко называют «чудо-материалом», потому что он наделен множеством удивительных свойств: это самое тонкое соединение, известное человеку, толщиной в один атом, а также самый известный проводник. Он также обладает удивительной прочностью и светопоглощением и даже считается экологически чистым и устойчивым, поскольку углерод широко распространен в природе и является частью человеческого тела.

Графен часто предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, отчасти из-за его большой относительной площади поверхности (которая даже больше, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает лучшее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его легкий вес, эластичные свойства и механическую прочность.

Графеновый суперконденсатор может хранить почти столько же энергии, сколько и литий-ионный аккумулятор, заряжаться и разряжаться за секунды и поддерживать все это в течение десятков тысяч циклов зарядки.Один из способов добиться этого — использовать высокопористую форму графена с большой площадью внутренней поверхности (полученную путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования его).

Что такое суперконденсаторы?

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы) или ультраконденсаторы, отличаются от обычных конденсаторов тем, что они могут хранить огромное количество энергии.

Основной конденсатор обычно состоит из двух металлических пластин, разделенных изолятором (например, воздухом или пластиковой пленкой).Во время зарядки электроны накапливаются на одном проводе и отходят от другого. Одна сторона получает отрицательный заряд, а другая — положительный. Изолятор нарушает естественное притяжение отрицательного заряда к положительному, и это напряжение создает электрическое поле. Как только электроны переходят на другую сторону, происходит разряд.

Суперконденсаторы также содержат две металлические пластины, покрытые только пористым материалом, известным как активированный уголь. Они погружены в электролит, состоящий из положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе.Одна пластина положительная, а другая отрицательная. Во время зарядки ионы электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием. Суперконденсаторы также накапливают энергию в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными частицами, только у них есть электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя зарядового покрытия (двойной электрический слой).


Батареи и суперконденсаторы

В отличие от конденсаторов и суперконденсаторов, батареи накапливают энергию в результате химической реакции.Таким образом, ионы вставляются в атомную структуру электрода, а не просто цепляются за нее, как в суперконденсаторах. Это позволяет суперконденсаторам (и хранению энергии в целом без химических реакций) заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем аккумуляторы. Благодаря тому, что суперконденсатор не подвержен такому же износу, как батарея на основе химической реакции, он может выдержать еще сотни тысяч циклов зарядки и разрядки.

Суперконденсаторы могут похвастаться высокой емкостью накопления энергии по сравнению с обычными конденсаторами, но они все еще отстают от батарей в этой области.Суперконденсаторы также обычно дороже в расчете на единицу, чем батареи. Технически можно заменить аккумулятор сотового телефона на суперконденсатор, и он будет заряжаться намного быстрее. Увы, долго заряжаться не будет. Однако суперконденсаторы очень эффективны при приеме или передаче внезапного всплеска энергии, что делает их подходящим партнером для батарей. Первичные источники энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают как непрерывный источник малой мощности, но не могут эффективно справляться с потребляемой пиковой мощностью или возвращать энергию, поскольку они медленно разряжаются и перезаряжаются.Суперконденсаторы обеспечивают быстрые выбросы энергии во время пиковых нагрузок, а затем быстро накапливают энергию и улавливают избыточную мощность, которая в противном случае теряется. В примере с электромобилем суперконденсатор может обеспечивать необходимую мощность для ускорения, в то время как батарея обеспечивает запас хода и заряжает суперконденсатор между скачками напряжения.

Общие приложения суперконденсаторов

Суперконденсаторы в настоящее время используются для сбора энергии от систем рекуперативного торможения и высвобождения энергии, чтобы помочь гибридным автобусам разгоняться, обеспечивать пусковую мощность и стабилизацию напряжения в системах старт / стоп, резервную и пиковую мощность для автомобильных приложений, помогать при ускорении поезда открывать двери самолета в случае сбоев питания, помогать повысить надежность и стабильность энергосистемы систем шага лопастей, улавливать энергию и обеспечивать импульсную мощность для помощи при подъемных операциях, обеспечивать энергией центры обработки данных между сбоями питания и инициированием резервных систем питания, таких как дизельные генераторы или топливные элементы, и обеспечивают накопление энергии для увеличения выработки возобновляемых источников энергии и повышения устойчивости сети.

Соперничающие материалы

Существует несколько материалов, которые исследованы и предложены для увеличения суперконденсаторов на столько же (или даже больше) графена. Среди этих материалов: конопля, которая использовалась канадскими исследователями для разработки конопляных волокон, которые по крайней мере так же эффективны, как и графеновые, в электродах суперконденсатора, сигаретные фильтры, которые использовались корейскими исследователями для подготовки материала для электродов суперконденсатора, который демонстрирует лучшие характеристики пропускная способность и более высокая удельная емкость, чем у обычного активированного угля, и даже выше, чем у электродов из графена с примесью азота или углеродных нанотрубок.

Коммерциализация графеновых суперконденсаторов

Графеновые суперконденсаторы уже представлены на рынке, и несколько компаний, включая Skeleton Technology, CRRC, ZapGoCharger и Angstron Materials, разрабатывают такие решения. Прочтите наш отчет о рынке графеновых суперконденсаторов, чтобы узнать больше об этом захватывающем рынке и о том, как графен повлияет на него.

Дополнительная литература

Новое поколение аккумуляторов. Технологии графена — это не будущее… | автор: Анураг Канория | За технологией Startup

Graphene не будущее, она уже вышла на рынок.

Real Graphene Power Bank

От лучших камер до ярких дисплеев в течение многих лет мы наблюдали радикальные улучшения почти во всех технологиях, которые нас окружают, за исключением батарей, которые питают все они.

Конечно, сейчас у нас есть быстрая зарядка вместе с более крупными батареями, но быстрая зарядка больше вреда, чем пользы для срока службы наших батарей. Несмотря на то, что у нас сейчас большая емкость аккумулятора, зарядка телефона до полной емкости вредна.

На протяжении десятилетий мы использовали литий-ионные батареи, но вскоре мы, возможно, сможем получить в свои руки батареи последнего поколения, которые будут основаны на графене.

Самуэль Гонг, основатель и генеральный директор Real Graphene USA, подчеркнул прогресс в технологии графена.

«Люди всегда думают, что за графеном будущее, но я здесь, чтобы исправить их. Он сейчас здесь. Мы создаем аккумулятор, который может заряжаться очень быстро, очень крутой и имеет долгий срок службы с точки зрения циклических зарядов ».

Графен — это двухмерная структура графита, материала, используемого для изготовления карандашей. Так что же делает графен таким уникальным? Графен более чем в 100 раз прочнее стали, и всего два атомных слоя материала могут остановить пулю.Но что еще более важно, графен — лучший проводник электричества и тепла, при этом он невероятно легкий.

Текущие батареи не выдерживают более 500 циклов зарядки, в отличие от графеновых батарей, которые могут выдерживать до 1500 циклов зарядки. Более того, графеновые батареи лучше реагируют на быструю зарядку, так как для зарядки элемента на 3000 мАч с 60-ваттным зарядным устройством потребуется всего 20 минут. Аккумуляторы обычных телефонов нельзя заряжать с помощью 60-ваттного зарядного устройства.

Эти батареи также выделяют меньше тепла по сравнению с обычными батареями при одинаковой мощности заряда.Наши нынешние батареи страдают от таких проблем, как перезарядка и проколы. Все мы помним печально известный Galaxy Note 7. Но, с другой стороны, графен гораздо более устойчив и устойчив к таким проблемам.

Также стоит отметить, что графеновый блок питания Real Graphene демонстрирует линейную скорость зарядки. Проще говоря, это означает, что скорость зарядки графеновых батарей не меняется. Батареи наших нынешних смартфонов быстро заряжаются до определенного процента, а затем медленно заряжаются.Это сделано для сохранения работоспособности батареи, но графен не имеет отношения к этой проблеме. Таким образом, вы можете ожидать, что ваш смартфон с графеновой батареей будет заряжаться с одинаковой скоростью, независимо от того, находится ли он на уровне заряда 30% или 95%.

Однако все эти преимущества не сокращают срок службы графеновых батарей. Несмотря на быструю зарядку, графеновые батареи по-прежнему смогут выдерживать 1500 циклов зарядки.

Графен имеет широкое применение, выходящее за рамки батарей и элементов питания.Благодаря своей прочности и устойчивости, его можно использовать для создания пуленепробиваемых объектов, антикоррозионных покрытий, точных датчиков, доставки лекарств, гибких дисплеев и многого другого. Его даже используют для борьбы с раком.

Революционный аккумулятор с улучшенным графеном Заряжается за 20 минут

Более быстрая зарядка, более длительный срок службы и более низкие температуры. Это три основных преимущества литиевой батареи, наполненной чудесным материалом графена. Дело в том, что мы все слышали о преимуществах графена и раньше, но, несмотря на всю шумиху, мы еще не видели, чтобы он действительно использовался в устройствах и продуктах, которые вы действительно можете купить.

Это скоро изменится, согласно Real Graphene, технологической компании из Лос-Анджелеса, работающей над элементами аккумуляторов с графеном. Digital Trends поговорила с генеральным директором Сэмюэлем Гонгом о том, какие преимущества принесет интеграция графена в литиевую батарею, и они очень убедительны. Еще лучшая новость заключается в том, что технология почти готова к массовому использованию.

Графен больше не является технологией будущего

«Люди всегда думают, что за графеном будущее, но я здесь, чтобы их исправить.Он сейчас здесь, — сказал мне Гонг. «Мы создаем аккумулятор, который может заряжаться очень быстро, очень крутой и имеет длительный срок службы с точки зрения циклических зарядов».

Что именно это означает? Мы привыкли, что для зарядки обычных аккумуляторов телефона требуется в среднем около 90 минут, а иногда и немного быстрее. Ячейка из настоящего графена работает намного быстрее: полная зарядка ячейки емкостью 3000 мАч занимает около 20 минут с использованием зарядного устройства мощностью 60 Вт. Тогда есть долголетие. Большинство аккумуляторов телефонов могут выдерживать от 300 до 500 циклов зарядки, но батареи Real Graphene могут работать около 1500 циклов при той же емкости, а поскольку элемент выделяет гораздо меньше тепла, он работает намного холоднее, это также безопаснее.

BONNINSTUDIO / Shutterstock

Как настоящий графен представляет эти впечатляющие преимущества? Он делает это путем смешивания графена с обычной литиевой батареей. Гонг объяснил:

«Графен — удивительный проводник тепла и электричества. Литий не любит, когда вы вкладываете много энергии и когда вы ее забираете. Мы применили графен двумя разными способами. Мы смешиваем его в растворе с литием, а также добавляем композитный слой, например лист, в литиевую батарею.Он действует как проводник электричества и не выделяет столько тепла ».

Производство

Real Graphene предоставляет своим клиентам комплексное решение для аккумуляторов, включая не только графен и сам аккумулятор, но даже специальный набор микросхем, необходимый для зарядки. Изготовление графена в форме листа — сложный процесс, особенно с точки зрения объемов и затрат, необходимых для использования потребителями. Графен очень дорогой, а при производстве для лабораторий может стоить 25 долларов за лист. Несколько лет назад килограмм графена стоил 300 тысяч долларов.

Килограмм может показаться не очень большим, но это очень долгий путь. Графен очень легкий, и даже пять листов графена имеют толщину всего 5 атомов, поэтому для батарей не нужно много использовать. Тем не менее, хотя стоимость графена с годами снизилась, он остается очень дорогим и сложным в производстве. Из-за этого в некоторых аккумуляторных батареях, рекламирующих графен, сейчас, по-видимому, используется только графит, и они не могут обеспечить производительность, указанную выше.

Real Graphene только недавно начал производство своих специальных ячеек, и Гонг сообщил, что некоторые производители уже тестируют их.Но что, если компания заявила, что хочет пойти дальше и поместить в телефон усиленную графеном ячейку из Real Graphene?

«Нам легко масштабироваться, потому что мы производим графен», — сказал он. «[Это будет] либо за счет использования аккумуляторного завода, принадлежащего производителю, либо путем партнерства с другой аккумуляторной фирмой».

Это не просто продвижение вперед в производстве новой батареи, которая была бы относительно безупречной. Поскольку в батарее Real Graphene по-прежнему используется литий, улучшенная версия будет простой заменой для производителей.

«Добавление листа графена не влияет на атрибуты ячейки. Его толщина составляет всего от одного до пяти атомных слоев, и это никак не влияет на физические свойства. Это легко сделать по принципу «подключи и работай», потому что ячейки могут быть одинаковой формы и размера. «Вы получаете немедленные преимущества графена», — с энтузиазмом сказал Гонг.

Хотя сама ячейка будет практически идентична по размеру, есть очевидная разница в цене. По оценкам, батарея из настоящего графена добавит 30% к стоимости существующих литиевых батарей.Это, естественно, приведет к увеличению общей стоимости телефона; но многие, вероятно, заплатили бы немного больше за аккумулятор, который заряжается быстрее и не разряжается так быстро, а это означает, что они могут дольше удерживать свой телефон.

Когда мы его получим?

Если Real Graphene подписала контракт с крупным производителем завтра на поставку ограниченного тиража около 100 000 или около того устройств премиум-класса — что-то вроде Galaxy Fold, — по словам Гонга, компания могла бы реально выполнить заказ прямо сейчас.Увеличение объемов производства более массового устройства может занять около года. Real Graphene работает над созданием графеновых батарей для таких небольших изделий, как умные часы, и таких больших, как тележка для гольфа с батарейным питанием.

Потребуется сделка с производителем телефонов, прежде чем мы увидим внутри устройства батарею с усиленным графеном; но в настоящее время вы можете купить Power Bank из Real Graphene прямо сейчас на Amazon. Они заряжаются быстро; но не до указанного выше уровня. Тем не менее, что интересно, Real Graphene в ближайшем будущем запустит краудфандинговую кампанию для аккумуляторных блоков, которые выполняют захватывающее обещание, о котором говорил Гонг.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.