Что такое графеновый аккумулятор
Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы
Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад. Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно. В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.
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.
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.
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.
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.
Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов
Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.
Компания Graphenano из Испании является одним из крупных производителей графена в промышленных объёмах. Инженеры Graphenano и специалисты университета Кордовы в Испании несколько лет назад разработали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось создать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70─80%.
По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.
В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung). Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки. Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов. Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.
В Австралии разработками графеновых аккумуляторов занимаются специалисты университета Monash. Как известно, одной из проблем графена является поддержание его в стабильном состоянии. Этот материал стремится перейти в обычный графит, при котором теряются уникальные характеристики. Австралийские учёные решили эту задачу путём превращения графеновых пластин в водяной гель. Они утверждают, что если изготовить аккумулятор из этого геля, то скорость его зарядки составить всего несколько секунд.
В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития). В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной). Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.
Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний. Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз. Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать. Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.
Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.
Что такое графеновая батарея?
Технология аккумуляторов в наши дни значительно улучшилась. Но если есть одна вещь, которую люди никогда не смогут получить достаточно, так это обещание длительного срока службы аккумулятора. Разве не было бы здорово, если бы наши ноутбуки и смартфоны продержались целую неделю в интенсивном режиме с одной зарядкой? Или что, если бы электромобили могли быть полностью заряжены за несколько минут?
С графеновыми батареями это все возможно.
Графен в настоящее время является наиболее изученным материалом для хранения заряда. Результаты, полученные в различных лабораториях по всему миру, подтверждают его потенциал, чтобы произвести революцию в отрасли хранения энергии.
Обнаруженный в 2004 году, графен может представить много новых возможностей для устройств хранения энергии в следующем десятилетии, таких как полностью вращающиеся батареи, меньшие по размеру конденсаторы, устройства высокой емкости и быстрой зарядки, а также прозрачные батареи.
Давайте копнем глубже и узнаем больше об этой революционной технологии: чем она отличается от существующих литий-ионных аккумуляторов, каковы ее области применения и почему это так важно.
Что такое графеновая батарея?
Графен, состоящий из атомов углерода, образующих двумерную кристаллическую решётку, признан «чудо-материалом» благодаря своим уникальным свойствам. Это отличный проводник тепла и электричества, впечатляюще гибкий, почти прозрачный, в 100 раз прочнее стали той же толщины и чрезвычайно легкий.
А поскольку материал также экологичен и устойчив, он обладает неограниченными возможностями в широком спектре применений. Одним из таких многообещающих применений является батарея следующего поколения.
Графен может быть интегрирован в различные типы батарей: металл-воздушные, окислительно-восстановительные, литий-металлические, литий-серные и, что более важно, литий-ионные батареи. Он может быть химически обработан в различных вариантах, подходящих как для отрицательных, так и для положительных электродов.
Батареи, сделанные из графена, могут питать все, от карманных устройств до электромобилей. Они обладают большей мощностью и имеют более длительный срок службы, чем существующие коммерческие (литий-ионные) батареи.
Графен как аккумулятор может также использоваться в качестве суперконденсатора, который может заряжаться и разряжаться невероятно быстро. На самом деле, они могут помочь цивилизации наконец-то отойти от вредных ископаемых видов топлива.
Чем они отличаются от традиционных батарей?
Технология графеновых аккумуляторов аналогична литий-ионным аккумуляторам: у них есть два твердых электрода и раствор электролита, обеспечивающий поток ионов. Однако некоторые графеновые батареи содержат твердый электролит.
Основное различие заключается в составных частях одного или обоих электродов. В обычной батарее катод (положительный электрод) полностью изготовлен из твердотельных материалов. Однако в графеновой батарее катод состоит из гибридного компонента, который содержит графен и твердотельный металлический материал.
Количество графена, используемого в электроде, варьируется в зависимости от эффективности твердотельного материала и требований к характеристикам. Кроме того, графен, как анод, обеспечивает высокую емкость и превосходную производительность.
Текущие проблемы
В последние годы исследователи продемонстрировали различные батареи на основе графена, которые превосходят имеющиеся в продаже. Однако эта технология еще не вышла на рынок. Еще предстоит преодолеть два серьезных препятствия:
Производство одного килограмма графена стоит десятки тысяч долларов: количество варьируется в зависимости от требований к качеству материалов. Поскольку активированный уголь, который в настоящее время используется в суперконденсаторах, доступен по низкой цене (15 долларов за кг), другим материалам очень трудно выйти на коммерческий рынок.
12 новых характеристик графеновых батарей
Вскоре из графена можно будет создать устройства хранения энергии нового поколения с необычными характеристиками, которые невозможны с помощью современных технологий.
1. суперконденсаторы с линейной фильтрацией переменного тока
Электрический двухслойный конденсатор на основе вертикально ориентированных листов графена мог заряжаться / разряжаться очень быстро (менее чем за миллисекунду). Десятки материалов были протестированы для фильтрации линии переменного тока, в том числе оксид графена, ковер графен-УНТ (углеродная нанотрубка) и квантовые точки графена.
Такие сверхбыстрые суперконденсаторы могут заменить большие электролитические конденсаторы, которые в настоящее время используются в электронике, делая электронные устройства легче и меньше.
2. Гибкие накопители энергии
Существующие батареи и суперконденсаторы являются жесткими: таким образом, их изгиб может привести к утечке электролита и повреждению элементов. Однако графен с его двумерной структурой толщиной в один атом может деформироваться в направлении, нормальном к его поверхности, не вызывая никаких повреждений.
Помимо присущей ему механической гибкости, феноменальные электрические характеристики и большая площадь поверхности делают графен перспективным материалом для гибких батарей.
3. Растягивающиеся батареи и суперконденсаторы
Растяжимые устройства накопления энергии могут быть созданы за счет использования структурной растяжимости электродов из микрочастиц из композита графена-УНТ / активного материала и физически сшитого гелевого электролита.
Пленка графен-УНТ / активный материал на растягиваемой подложке
Активные материалы, соединенные через спутанные углеродные нанотрубки и графеновые листы, обеспечивают механически устойчивый пористый сетевой каркас, а внутренний выступающий каркас в сотовой структуре позволяет осуществлять структурное растяжение при деформации.
4. Литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой
Поскольку графен обеспечивает более быстрый перенос ионов и электронов в электродах, литий-ионные батареи, оснащенные графеном, можно заряжать и разряжать гораздо быстрее.
Например, литий-ионный аккумулятор с наноразмерным катодом из LiFePO 4 и анодом из Li 4 Ti 5 O 12 на гибкой графеновой пене может быть полностью заряжен всего за 18 секунд. Чистый графен также можно использовать на аноде для увеличения емкости и сверхбыстрой скорости заряда/разряда.
5. Аккумуляторы для носимых устройств
Последние достижения в области коаксиальных электродов и электродов с сердечником и оболочкой сделали возможным объединение электродного материала и токосъемника в единую пряжу, которую можно ткать или связывать непосредственно в текстиль.
Графен может быть эффективно собран в многофункциональные микроволокна и вплетен в ткани. Микроволокна с графеновым сердечником и оболочкой уже использовались для демонстрации гибких и растяжимых суперконденсаторов (с высокой поверхностной емкостью), которые можно встраивать в текстиль с использованием традиционных методов ткачества.
6. Ультратонкие токоприемники для легких устройств
В существующих батареях используются токосъемники из металлической фольги (например, из меди, алюминия или никеля) толщиной 20-80 микрометров для облегчения потока электронов между электродами и внешними цепями. Поскольку эти металлы не накапливают заряд, они снижают общую плотность энергии батареи. Кроме того, они подвержены коррозии, что отрицательно сказывается на внутреннем сопротивлении элемента и сроке службы батареи.
Графен легко трансформируется в пленки с волнами и складками на поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это еще больше снижает сопротивление ячейки).
7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы
Благодаря своей высокой проводимости и приличной прозрачности (коэффициент пропускания до 97,7%) графен может сыграть значительную роль в повышении эффективности прозрачных батарей. Его можно использовать в качестве электродного материала не только для разработки прозрачных накопителей энергии, но и для умных окон, солнечных элементов и различного оптоэлектронного оборудования.
8. Батареи с увеличенным сроком службы
В современных литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Его плотность энергии можно увеличить, заменив графит графеном.
Графеновые электроды в виде свернутой графеновой бумаги, пористых графеновых пленок и каркасов из сольватированного графена обладают в три раза большей емкостью, чем традиционные графитовые электроды, обещая более длительный диапазон для электромобилей и более длительное время работы для портативных устройств.
Емкость и плотность мощности могут быть дополнительно улучшены путем легирования графеновых анодов азотом и бором.
9. Оксид графена в качестве твердого электролита и сепаратора
Эти наблюдения могут помочь исследователям разработать сверхбыстрые, легкие, энергоемкие конденсаторы, которые не страдают от диффузии ионов, что часто является причиной опасности утечки электролита.
10. Суперконденсаторы с удельной энергией батарей
Суперконденсаторы, изготовленные из [пористой и плотной] графеновой пены, как правило, имеют сверхвысокую плотность энергии, сравнимую со свинцово-кислотными батареями. Эти графеновые пены создаются путем созданием крошечных отверстий в базальных плоскостях графена и последующего их сжатия с помощью современного гидравлического оборудования.
Основное преимущество графеновых суперконденсаторов по сравнению с традиционными заключается в том, что они работают с водными электролитами и могут изготавливаться без сложной сборки в «сухом помещении».
11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена
Оксидные мембраны графена обладают различными уникальными барьерными свойствами. В сухом состоянии эти мембраны непроницаемы для всего, за исключением водяного пара. В воде они ведут себя как молекулярные сита, блокируя крупные ионы и облегчая перенос более мелких.
Эти особенности могут привести к разработке ионоселективных мембран нового поколения для суперконденсаторов, батарей и топливных элементов.
12. Электроды без связующих и добавок
Связующее и добавки вместе составляют до 40% массы электрода. Он известен как «мертвая масса», потому что он не накапливает заряд и, таким образом, снижает общую плотность энергии.
Но поскольку графен может быть собран в автономные 2D- и 3D-структуры с высокой электропроводностью, можно напрямую включать графен в электроды без добавления каких-либо связующих и проводящих агентов.
Последние исследования
В последнее десятилетие ученые сосредоточились на улучшении комплексных электрохимических характеристик и надежности существующих батарей. Они разработали и протестировали множество различных вариантов батарей, оснащенных графеновыми композитными материалами.
Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен/кремний
Исследователи изготовили оптимизированный восстановленный графеноксидный/кремниевый композит, используя простой шаблонный метод самосборки. Графен равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя трехмерную сеть (за счет усиленного межмолекулярного взаимодействия и увеличенной удельной поверхности).
Синтетическая стратегия оптимизированного композита RGO / Si
Его можно использовать в качестве стабильного межфазного слоя из твердого электролита, который увеличивает как электрическую проводимость, так и структурную стабильность.
Графеновые многослойные пленки для емкостного накопления энергии
В 2020 году группа исследователей разработала автономный пленочный электрод из слоистого графена с высокоэффективным использованием пор. Настроить пористость легко, отрегулировав расстояние между слоями пленки. Поскольку поры используются оптимально, объемная емкость максимальна.
Гибкий графеновый суперконденсатор может хранить в 10 раз больше энергии, чем обычные
Этот тип суперконденсаторов может сохранять 97,8% своей энергоемкости после 5000 циклов. Они также очень гибкие: при изгибе на 180 градусов они работают почти так же, как и в горизонтальном положении.
Рынок
Исследования графена продолжат расширяться в течение следующего десятилетия, обещая сделать жизнь людей лучше. В 2019 году мировой рынок графеновых батарей оценивался в 49 миллионов долларов, и, по прогнозам, к 2027 году он достигнет примерно 399 миллионов долларов, что означает CAGR (совокупный годовой темп роста) более 31% в течение прогнозируемого периода.
Рост рынка обусловлен использованием графеновых батарей в электромобилях, портативных электронных устройствах и резким увеличением использования нетрадиционных источников энергии. Ожидается, что автомобильный сегмент будет иметь самые высокие темпы роста из-за растущего спроса на электромобили из-за экологических проблем.
Согласно прогнозам, на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться самая большая доля индустрии графеновых батарей. Ключевыми странами, способствующими увеличению спроса, являются Китай, Япония и Южная Корея. Европа, вероятно, будет занимать вторую по величине долю на мировом рынке графеновых батарей.
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:
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:
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».
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.