Графеновые аккумуляторы

19.08.2024 Anna 0 Comments

Графен — новая форма углерода, открытая в 2004 году британскими и российскими физиками. Его главное отличие от известных кристаллов (графита и алмаза) состоит в том, что графен представляет собой однопленочный кристалл толщиной всего 91 пикометр (1Pm составляет 10-12 метров), причем, по мнению ученых, эта пленка обладает впечатляющими прочностными свойствами и в равной степени впечатляющие параметры проводимости.

Поэтому графен имеет решающее значение для электроники и электротехники. Высокая электро- и теплопроводность существенно расширяет спектр его применения. Материал может заменить полупроводники из редкоземельных минералов, увеличив мощность микроэлектронных схем и одновременно значительно уменьшив их размеры. Кроме того, графен имеет большие перспективы и в области хранения энергии. Кристаллические пленки имеют большие поверхностные заряды; напряженность поля не используется для сохранения трехмерной структуры атомов. Одна мембрана может накапливать заряд почти сразу; только один атом сопротивляется потоку электронов.

Интересный. Существует миф о изготовлении графена своими руками, заключающийся в том, чтобы нанести слой ленты на поверхность графита, а затем отклеить его. Говорят, что этот слой графита на поверхности ленты и есть графен, но увы.. не так, лента на поверхности. Слои — обычный трехмерный графит.

Содержание

Графеновые электронакопители

Разрабатываемые в настоящее время графеновые батареи работают на основе электрохимических принципов и фактически ничем не отличаются от более распространенных свинцовых или литий-ионных батарей. Но в качестве катода они использовали уголь, поскольку материал представляет собой почти чистый углерод.

Кроме того, современное развитие графеновых энергетических батарей в основном имеет два направления:

В качестве анода используется оксид лития-кобальта (LiCoO2), а катод изготовлен из единой пленки кремния и графена. Однако при высоком КПД стоимость таких устройств также достаточно высока, а соли лития чрезвычайно токсичны;
Второй вариант разработки — использование в качестве анода оксида магния; магниево-графеновая батарея имеет более высокие энергетические характеристики, чем любая ранее выпускавшаяся батарея, и хотя она менее эффективна, чем оксид лития-кобальта, но гораздо дешевле и менее опасна.

Оба пути развития имеют право на существование, хотя наиболее перспективным в современных условиях остаются магниево-графеновые батареи.

По сравнению с традиционными батареями графеновые батареи имеют следующие преимущества:

Меньший вес и меньшие габариты (современные устройства будущего будут достаточно громоздкими);
Высокая электропроводность графена;
Материал имеет длительный срок службы и износоустойчив;
экологическая безопасность;
удельная мощность – 1 кВт/ч на килограмм веса;
Возможность настройки характеристик;
Доступность и дешевизна сырья; углерод в трехмерных кристаллах широко распространен в природе.

Несмотря на все преимущества графена, такие батареи в настоящее время используются в автомобильной промышленности лишь в виде прототипов. Создание маленьких, но мощных батарей затруднено из-за неспособности ученых использовать этот материал для создания мини-батарей.

Читайте также статью: Как вскрывать дверные замки

В то же время использование графена в автомобилях, точнее в электромобиле Tesla Model S, увеличивает запас хода до 800-1000 километров. Кроме того, полная зарядка всей батареи занимает всего 10–12 минут. Но препятствиями для внедрения графена в этом направлении являются высокие эксплуатационные расходы электромобилей и отсутствие разветвленной сети зарядных станций.

При испытаниях в электромобилях литий-графеновые батареи оказались менее безопасными — при взаимодействии воды и лития могут возникнуть бурные и взрывные реакции. Кроме того, его природные запасы невелики, что также отрицательно сказывается на его распространении. По этой причине большая часть работ в этом направлении проведена с использованием магниевых аккумуляторов.

Видео: Графеновые батареи уже не за горами

Развитие производства

Испания уже добилась масштабного производства графена; в 2015 году компания Graphenano выпустила дешевую, но громоздкую модель графеновой батареи высокой мощности. Это аккумулятор, используемый в электромобиле Tesla S, который намного безопаснее и вдвое легче использовавшихся ранее литий-ионных аккумуляторов. В 2017 году компания планировала начать серийное производство новых аккумуляторов, однако информации о запуске серийного производства на данный момент нет.

В США производство графеновых накопителей энергии все еще находится на стадии научных исследований. В Северо-Западном университете ведутся улучшения. Основная цель исследований – улучшить их возможности.

В Европе, за пределами Испании, наибольших успехов добились австрийцы из Университета Монаша. Они поместили отдельные мембраны графена в гелевые оболочки, что позволило им удерживать пластины на стабильном расстоянии друг от друга, предотвращая их слипание.

В РФ ведутся работы по созданию магниево-графеновых аккумуляторов большей емкости и более компактных размеров, серийных образцов и опытных образцов пока нет.

Перспективы графена

Масштабное внедрение графеновых батарей стало бы важным шагом вперед не только для науки, но и для промышленности. Поэтому развитие масштабного производства этого энергоносителя потребует:

Создать линию по производству графена;
Разрабатывать новые модели электромобилей;
Развитие сети автозаправочных станций, ведущее к строительству новых электростанций;
Продвигать и изучать феномен Теслы по беспроводной передаче энергии и создавать более широкую и мощную энергосистему;
Создавать новые мощные и компактные вычислительные устройства;
Повысить уровень безопасности дорожного движения.

В этом плане графен открывает новые перспективы не только в науке, но и на производстве и даже в повседневной жизни.