Графеновые аккумуляторы. перспективы практического применения графена

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).

Графеновые батареи vs литий-ионные

В графеновых элементах питания, как и в литий-ионных аналогах, используются две проводящие пластины, покрытые пористым материалом и погруженные в раствор электролита. Несмотря на схожесть внутреннего строения, оба вида аккумуляторов обладают разными характеристиками.

Графен проводит электричество эффективнее, чем ионы лития. Такой аккумулятор способен принимать ток большой силы. Эта особенность играет важную роль для производства мощных автомобильных батарей, а также для технологии реверсивной зарядки, когда один гаджет отдает ток другому беспроводным способом. Высокая теплопроводность подразумевает, что аккумулятор греется меньше, а потому он менее подвержен износу даже в тесных телефонных корпусах.

Графеновые элементы питания могут быть легче и тоньше, чем литий-ионные. Это открывает перед инженерами сразу две разные возможности – создавать маленькие супертонкие гаджеты либо устанавливать в электронику батареи с увеличенной емкостью, не меняя существующие габариты устройства. Для сравнения: литий-ионный аккумулятор накапливает до 180 Вт-ч/кг энергии, а графеновый – до 1000 Вт-ч/кг, то есть в 5,5 раз больше.

Наконец, графеновый аккумулятор безопаснее. Несмотря на то, что литий-ионные элементы питания имеют довольно неплохие показатели безопасности, история знает несколько крупных инцидентов, связанных с их неисправностью или неправильной эксплуатацией. Перегрев, перезарядка и повреждение корпуса могут вызвать химический дисбаланс, а это в свою очередь приводит к пожару. Графен гораздо более стабилен, поэтому перечисленные проблемы грозят ему в меньшей степени.

Литий-ионные батареи служат на пользу человечества уже несколько десятилетий, и надо отметить, что они не исчезнут в один миг с переходом производителей на графен. Графеновые соединения можно использовать для улучшения характеристик катодного проводника в литий-ионных батареях. Гибридные аккумуляторы тоже обладают привлекательными свойствами – они легче, заряжаются быстрее, служат дольше и вмещают больше энергии. Поэтому первые потребительские аккумуляторы с графеном скорее всего будут гибридами.

Проблемы в разработках

Однако дело может быть и в том, что материал действительно инновационный, поэтому подхода требует соответствующего. Возможно, аккумуляторы с использованием графена должны быть принципиально отличными от традиционных литий-ионных или литий-полимерных.

Существует и еще одна теория. Корпорация Graphenano заявила, что новые аккумуляторы заряжаются всего за восемь минут. Специалисты подтверждают, что это действительно возможно, только мощность источника питания должна быть не менее одного мегаватта, что возможно в тестовых условиях на заводе, но никак не в домашних. Постройка достаточного количества заправок с такой мощностью будет стоить огромных денег, цена одной подзарядки будет довольно высока, поэтому графеновый аккумулятор для авто не принесет никакой выгоды.

Практика показывает, что революционные технологии достаточно долго встраиваются в мировой рынок. Необходимо провести множество тестов, чтобы убедиться в безопасности продукта, поэтому выход новых технологических устройств порой затягивается на долгие годы.

Графен – почти мистика

Графен – двухмерная кристаллическая структура атомов углерода – обладает рядом уникальных физических свойств. Например, при толщине листа в 91 Пм (1 пикометр – это 10-12 обычной метрической единицы измерения) он выдерживает нагрузку в 4 килограмма.

Это кристаллическая решетка графена

Для электроники и электротехники это вещество является просто подарком, ведь оно унаследовало от графита отличную тепло- и электропроводность. Графен способен заменить полупроводники на основе дорогих редкоземельных металлов, при этом получаемые из него элементы в несколько раз меньше. Это дает толчок к дальнейшему уменьшению размеров носимой электроники. Но и это еще не все – унаследовав от графита еще и тепловую стойкость, графен позволяет увеличить допустимую мощность микроэлектронных схем.

Кристалл, раскатанный в плоскость, сам по себе имеет огромный поверхностный заряд, поскольку напряженность поля электронных облаков атома не тратится на удержание в трехмерной структуре. Плоский кристалл может накопить еще больший заряд, и сделать это практически мгновенно, ведь потоку электронов сопротивляется всего один атом. Аккумуляторы с графеновым катодом емкостью в 55 А/час заряжаются за 8 секунд.

Принцип работы

Далее немного о том, как работает и на чём основывается графеновый аккумулятор.

В действительности принцип работы рассматриваемого графенового источника питания практически не отличается от классического свинцово-кислотного аккумулятора. Разница лишь в электрохимических процессах, протекающих внутри корпуса. Здесь их можно сравнить с литий-полимерными АКБ.

Чтобы лучше понять принцип работы разрабатываемого графенового аккумулятора, стоит выделить 2 основные технологии.

  1. Американская технология. Здесь в качестве источников возникающей реакции, обеспечивающий формирование заряда, используют кобальтат лития и пластины кремния и графена, которые чередуются друг с другом.
  2. Российская технология. Это аналог в виде магний-графеновой АКБ. Здесь вместо литиевой соли применяют оксид магния.

Графен отличается высокими показателями электропроницаемости и имеет склонность к накапливанию электрических зарядов. Эти особенности позволяют за счёт графена добиться увеличения скорости движения ионов, и тем самым повышается потенциальная ёмкость источника питания.

Изначально, когда технологию только начали разрабатывать, к листам графена добавляли литий. Но происходила бурная реакция при контакте с водой, и возникали окислительные процессы, из-за чего реализовать схему не удалось.

Когда литий контактирует с водой вне герметичного корпуса, это провоцирует сильнейший взрыв. Подобные АКБ ставить на машине очень опасно, поскольку в случае повреждения аккумулятор может выступить в роли причины возгорания.

Также литий-графеновые АКБ, как показали испытания, нуждаются в продолжительной зарядке. А это для электрокаров точно не подходит.

Всё это привело к тому, что разработчики переключились на магний-графеновые модификации.

Технические характеристики и особенности

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

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

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

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

Текущая разработка графеновых АКБ

Многие ожидают, что уже совсем скоро электрический автомобиль, то есть электромобиль, сможет без проблем преодолевать дистанцию в более чем 800–1000 километров, не требуя при этом остановки на подзарядку.

Сейчас запущено производство графена в солидных промышленных масштабах. Основным действующим лицом выступает компания Graphenano, которая базируется в Испании. Причём испанские инженеры уже опробовали АКБ на основе графена, цена которой на 70% ниже в сравнении с аналогами других компаний. Путём тестирования было доказано, что на ней электрокар способен проехать до 1000 км. А на полную зарядку уходит всего 7 минут.

При этом вес графеновой АКБ меньше литий-ионного источника питания со схожими характеристиками.

Ещё в 2015 году испанская компания организовала крупное предприятие, основной задачей которого было изготовление таких АКБ. На имеющихся мощностях удаётся создавать примерно по 80 миллионов рабочих ячеек за год работы. Официальная презентация новинки в виде графеновых АКБ была запланирована ещё на 2017 год. Но пока никто так и не увидел результата работ испанских специалистов.

В США также ведутся активные работы в этом направлении. Здесь стоит выделить компанию Real Graphene, которая недавно презентовала первую графеновую АКБ для мобильных гаджетов.

В Австралии ведущими разработчиками графеновой технологии выступают специалисты университета Monash. Они работали над вопросом стабильности АКБ, поскольку графен постоянно стремится вернуться в своё исходное состояние, то есть превратиться в графит.

Это позволило избавиться от слипания пластин, плюс вещество находится в постоянном стабильном состоянии. Эта разработка открывает перспективы для использования гелеобразного графена в других отраслях. При этом для создания гелевого раствора не требуется затрачивать большие деньги и ресурсы.

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.

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.

Устройство графенового аккумулятора

Как и обычные свинцово-кислотные автомобильные АКБ, графеновые аккумуляторы работают на базе электрохимических процессов. Естественно, что в основе здесь лежит другая реакция, нежели в кислотном электролите. По устройству графеновые аккумуляторы больше всего похожи на литий-полимерные аккумуляторные батареи. На сегодняшний день появились две разных технологии получения графеновых аккумуляторов.

В первом случае предлагается использовать в качестве катода чередующиеся пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.


Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

  • Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
  • Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
  • Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
  • Не загрязняют окружающую среду;
  • Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
  • Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
  • Довольно легко устранить повреждения;
  • Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

А вот в сфере автомобилестроения графеновые аккумуляторы имеют хорошие перспективы уже сейчас. Исследования показали, что использование графеновой аккумуляторной батареи на электромобиле Tesla Model S может увеличить пробег с 300-400 до тысячи километров. При этом на зарядку графенового автомобильного аккумулятора потребуется 5-10 минут. Для этого нужно будет оснастить АЗС мощными зарядными станциями, но это вполне решаемая проблема.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей. Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

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.

Что такое графеновый аккумулятор?

Прежде чем говорить о преимуществах графеновой батареи, давайте посмотрим, что за материал такой графен и какие у него свойства.

Графен представляет собой совокупность атомов углерода, связанных в шестиугольную решетку, напоминающую пчелиные соты. Уникальность графена как химического соединения заключается в том, что его структура имеет толщину всего в один атомный слой. Графеновая пластина обладает ценными качествами: она превосходно проводит электричество и тепло, очень упругая, прочная и легкая

В энергетике наибольшую важность играют первые два свойства – электро- и теплопроводность. По этим двум параметрам графен превосходит медь – самый эффективный проводник среди металлов

Графену можно найти много применений. Идеальный вариант – создание графенового суперконденсатора. Суперконденсатор – это батарея нового поколения с повышенной емкостью, которая способна отдавать и накапливать заряд со стремительной скоростью.

О графене мир заговорил в 2017 году после сенсационного заявления Samsung: ученые компании разработали «графеновый шар», который можно применять в производстве телефонных батарей и автомобильных аккумуляторов. В 2019 появились намеки на то, что Huawei собирается использовать инновационный аккумулятор в очередном флагмане линейки P. Слухи оказались всего лишь слухами. Пока технические сложности не позволяют использовать графеновые листы в потребительских продуктах. Однако интерес крупных производителей к графеновой технологии становится все более очевидным: недавно выяснилось, что разработку аккумуляторов нового типа для электрокаров ведет Tesla.

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.


Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость

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.

Их связь настолько высокоплотная, что вещество имеет высокую степень жесткости и огромный запас теплопроводности.

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.

Что такое графеновый аккумулятор

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

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

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

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

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

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

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

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

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

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/u-ZrP8z2jJI»]

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


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

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

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/mhF2QvRZmqQ»]

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

Что такое графен

Для начала нужно понять, какая основа, то есть база используется в случае с графеновыми АКБ.

Графеновые батареи, как и литиевые, являются тяговыми, а не стартерными, как на машинах с двигателями внутреннего сгорания.

Графен достаточно интересный и инновационный материал. Благодаря ему потенциально увеличится работоспособность питающих элементов электромобилей от нескольких сотен до тысячи проходимых километров без подзарядки.

Массовому появлению графена человечество обязано двум специалистам. Это Гейм и Новосёлов. Именно они совместными усилиями получили этот материал искусственным путём. В качестве подложки использовался оксид кремния.

В итоге вещество можно охарактеризовать как углеродную плёнку. Её толщина составляет примерно одну миллионную от толщины листа бумаги.

В настоящее время целый ряд компаний и специалистов работают над тем, чтобы получить возможность в крупных объёмах создавать рассматриваемый высокотехнологичный материал. Если этого удастся добиться, это можно будет считать огромным шагом на пути к революции в мире электроники.

На основе графена потенциально можно создать аккумуляторные батареи, компьютерные мониторы, полупроводниковые устройства и многое другое.

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

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.

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.

Борьба с атомным естеством

Сложность изготовления и применения графена в том, что он стремится стать обычным графитом с трехмерной кристаллической структурой. Происходит это потому, что каждый атом углерода имеет электромагнитное поле и представляет собой однополярный магнит. Он обязательно должен к чему-нибудь «приклеиться», за счет чего образуются новые вещества, имеющие трехмерную кристаллическую структуру. Ученые уже научились бороться за то, чтобы графен оставался в виде плоской атомной решетки. Запатентованных ими способов чрезвычайно много, но они так сложны для понимания, что неискушенному обывателю лучше принять на веру – у них это получается. При этом им еще и удается свернуть его в трубку, значительно увеличивая общую площадь кристалла.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий