Графеновые аккумуляторы что это такое
Графеновые аккумуляторы: что это такое?
Смартфоны не перестают удивлять нас новыми возможностями. И только один параметр пока не радует — батарея.
Надо признать, что современные мобильные аккумуляторы не так уж и плохи. Они способны питать девайс в течение суток, а заряжаются в пределах пары часов. Но в наших реалиях этого мало. Кто-то смирился с нехваткой автономности и купил повербанк. Кто-то готов отдать любые деньги за смартфона-долгожителя. И все мечтают, как было бы хорошо ставить мобильник на зарядку не каждую ночь, а раз в два-три дня или даже раз в неделю. Эти мечты вполне могут стать реальностью, когда производители начнут ставить в смартфоны графеновые аккумуляторы.
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.
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.
Графеновые аккумуляторы в смартфонах
Смартфоны с батарейкой на основе графена будут обладать всеми перечисленными преимуществами. Они смогут заряжаться намного быстрее, чем сейчас, время от зарядки до зарядки с легкостью увеличится до двух дней, а то и больше.
Переход на графен приведет к приросту емкости батареи минимум на 60%. Сам по себе графеновый аккумулятор нагревается меньше, чем литий-ионный. При наличии хорошей системы отвода тепла он прослужит дольше. Спустя пару лет эксплуатации телефон будет все так же хорошо держать заряд, а его владельцу не придется отдавать уйму денег за замену батарейки.
Графен позволит выпускать еще более тонкие смартфоны либо обеспечит их улучшенной автономностью при сохранении текущих габаритов. Функция реверсивной зарядки станет популярнее: поскольку графен выдерживает высокие режимы тока, гаджеты смогут обмениваться энергией с колоссальной скоростью.
Работа над созданием графеновых аккумуляторов идет уже несколько лет. Их внедрение не за горами. Следите за новостями, и вы узнаете, какой гаджет будет первым носить в себе графеновый аккумулятор.
На Токе заряженный портал
Графеновые аккумуляторы — На токе
Графеновые аккумуляторы
Обилие на рынке самых разнообразных устройств работающих на электроэнергии, даёт очень серьёзную нагрузку на производителей источников питания для подобной аппаратуры. Гонка технологий набирает обороты с каждым днём, а в распоряжении потребителя оказываются аккумуляторные батареи разработанные по самым разным «чудодейственным» методикам. Естественно, каждый производитель хвалит свою технологию, говоря только о её преимуществах перед другими. Особняком среди всей этой когорты стоят электронакопители в основе которых лежит такой передовой, супер совершенный материал как графен. Подробно о нём я рассказывал здесь, ну а в этой теме я хочу поговорить конкретно об аккумуляторах, изготовленных на основе графена.
Содержание:
Перспективы графена
Чтобы вы лучше поняли, насколько эффективны графеновые АКБ, стоит сказать несколько слов о перспективах графена. Когда такие изделия станут действительно массовыми, появится возможность организовывать новые производства и исследовательские центры. Вещество можно будет использовать как на производстве, так и для хозяйственных потребностей.
Постановка графена на поток позволит создавать:
В любом случае, углеродные аккумуляторы — технология, которая в будущем должна завоевать рынок, но случится это только тогда, когда специалисты отладят все технические нюансы производства.
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.
Основные направления разработки графеновых батарей
Американская модель
Для отрицательного электрода используется такое вещество как лития кобальтат, а для положительного — материал, состоящий из графена и моноплёнки. Такую продукцию можно встретить довольно редко, а причина проста: её производство требует повышенных финансовых затрат и кроме того, соли на основе лития токсичны.
Российская модель
Здесь за минусовой электрод отвечают соединения на основе магния. Эти аккумуляторы могут предложить пользователю весьма привлекательные характеристики и вдобавок, ценник у них доступен широким массам. Вещества которые применяются в таких девайсах — не токсичны.
Графен обладает повышенной электропроницаемостью и помимо этого, он ещё и к накоплению электрозаряда склонен. Такие преимущества ведут к тому, что в обоих случаях скорость движения ионов между электродами возрастает и параллельно, увеличивается ёмкость электробатарей.
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.
Преимущества графеновых аккумуляторов
Недостатки графеновых аккумуляторов
Где можно приобрести графеновые аккумуляторы?
К большому сожалению, на данный момент эти высокоэффективные изделия существуют только в виде проектов — по поводу серийного же производства, никто однозначно ответить не может. Однако когда эту продукцию таки поставят на конвейер доведя перед этим до совершенства, потребителя ожидает настоящее техническое чудо, чуть ли не фантастика, ведь такие батарейки смогут без подзарядки функционировать целый год!
Графен ещё мало изучен, поэтому высшие чины не торопятся давать ему ход. Но, представьте себе, что в одном боксе, с габаритами как у пачки масла, может вместиться 1 МВт энергии! Наверняка найдутся деструктивные личности, которые захотят использовать данную технологию далеко не во благо! Но в то же время, автопроизводители не останавливаются на достигнутом и продолжают тестировать изобретение на своих производственных мощностях, постепенно доводя графеновые АКБ до нужных им кондиций.
Заключение
Вот такие они, источники питания на основе графена, весьма многообещающие но ещё не изготавливаемые серийно. Без сомнений, их время настанет, ведь у данной аппаратуры огромнейшее количество преимуществ и практически нет недостатков. Разработчики не зря сделали ставку на графен, однако им всё же нужно время, чтобы довести технологию до ума!
Графеновый аккумулятор
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:
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.
Графеновые аккумуляторы — что это, характеристики
Ритм современной жизни становится все стремительнее – мы стараемся сделать больше дел за короткое время. Мобильные устройства помогают нам увеличить «скоростные нормы», но и они иногда подводят – ресурс автономной работы ограничен ёмкостью аккумуляторов и временем их заряда.
Производители мобильных устройств мечтают о «вечной батарейке», а ученые стараются мечту сделать реальностью.
Графеновые аккумуляторы – описание, история создания
Технологическим прорывом на пути создания сверхъемких аккумуляторных батарей стало открытие графена.
Графен – это углеродная пленка, образованная жестким соединением атомов углерода в гексагональную структуру, напоминающую пчелиные соты. Получен уникальный материал из графита методом расщепления. Толщина листа графена всего один атом – это первый в истории двумерный кристалл, который представляет собой почти идеальный проводник.
Ученые за открытие графена получили Нобелевскую премию, потому что материал нового поколения уникален и обладает, помимо тонкости, другими замечательными свойствами:
В последние годы для исследований технологий на основе графена выделяются большие средства – область его применения обширна: в отраслях высоких технологий, в электротехнической области промышленности, в космических и военных отраслях, в медицине, в автомобилестроении и сфере экологии.
Идеален графен для производства аккумулятора – максимальное отношение поверхности графенового листа к объему позволяет компоновать материал в плоский проводник, который накапливает большой заряд практически мгновенно.
Справка: Аккумуляторные батареи – это химические источники тока, способные многократно накапливать и отдавать заряд.
Состав батареи
Графеновый аккумулятор что это и как он устроен рассмотрим подробно.
Устройство представляет собой специальный металлополимерный корпус, в который вставлены две пластины из разнородных металлов (медь и алюминий) с выводами для обеспечения электрических контактов – между электродами помещен электролит (жидкий или твердый). Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса стоит разделительная пластина – сепаратор, который не дает отрицательно заряженным атомам лития свободно перемещаться между электродами.
Устройство графеновых аккумуляторов сходно с литий-полимерными, только в графеновых батареях электролитом и сепаратором служит графен.
Принцип работы
Схема работы графен-полимерных аккумуляторов не отличается от литий-ионных. Принцип одинаков – при заряде и разряде ионы лития постоянно перемещаются между анодом и катодом через электролит, в то время как электронам приходится достигать анода или катода по внешней цепи, создавая в ней электрический ток.
Происходит это так:
Преимущества над литиевыми
Несмотря на сходство конструкции и принцип действия, графитовые аккумуляторы превосходят литиевые по своим характеристикам – графен быстрее накапливает заряд за счет высокой электропроводности.
Технические возможности
Аккумулятор нового поколения на основе графена обладает уникальными свойствами – применение таких источников энергии станет прорывом в создании электромобилей и производстве смартфонов.
Скорость зарядки
Испанские разработчики представили прототип аккумулятора на основе графена – время полного заряда такой батареи в десятки раз меньше, чем аналогичных литий-полимерных батарей, а в режиме быстрой зарядки составляет всего пять минут.
Huawei в одной из своих моделей использовала технологию быстрой зарядки – благодаря вкраплениям графена 45 процентов заряда накапливалось за пять минут.
Накопительные свойства графеновых батарей
Графен на счет своего строения способен в большом количестве накапливать электрические заряды на своей поверхности, что позволяет значительно увеличить емкость графеновых батарей.
Компания «Graphenano» запустила в производство аккумуляторы «Grabat» с емкостью позволяющей электромобилю проехать более тысячи километров без подзарядки.
Внимание! Немецкие концерны начали тестирование АКБ «Grabat» на собственных автомобилях – эра бензиновых двигателей заканчивается.
Сфера применения
Высокие емкость и скорость заряда/разряда графеновых батарей, а также низкая стоимость их производства станет новой вехой в производстве электромобилей.
До сих пор производительность мобильных устройств и телефонов существенно ограничивалась временем автономной работы – с графеновыми источниками энергии стоит ожидать появления гаджетов с невероятными возможностями. Корпорация Samsung решает проблему внедрения графена в накопители энергии для телефонов с помощью графеновых шариков.
Важно! Пока не созданы достаточно маленькие батареи из графена для электронных девайсов – графеновые технологии используются только при производстве внешних аккумуляторов, способных заряжать смартфон вместо полутора часов за 10-12 минут.
Преимущества графеновых батарей
Повсеместное внедрение источников энергии на основе графена только вопрос времени, ведь его преимущества перед другими видами аккумуляторов очевидны.
Небольшой вес
Графен очень легкий – два квадратных метра весят всего полтора грамма. Поэтому графеновые АКБ весят значительно меньше, чем аналогичные литий-ионные батареи.
Высокая проводимость
Простая кристаллическая структура кристалла графена не создает препятствий движению электронов – его электропроводность выше, чем у полупроводников. Это свойство графена дает возможность графеновым батареям заряжаться быстрее остальных АКБ.
Прочность
Прочность графена близка к прочности алмаза, поэтому разработчики уверены, что батареи на его основе будут более устойчивы к разрушениям.
Водонепроницаемость
Для стабильного состояния аккумуляторов разработана технология превращения графеновых пластин в водянистый гель – гелевый раствор уменьшает время зарядки батареи до нескольких секунд.
Высокая удельная емкость
Электрод, изготовленный из графена, позволяет ионам лития не только скапливаться на поверхности, но и проникать внутрь материала, что увеличивает количество заряженных частиц в аккумуляторе, значительно увеличивая его емкость.
Невысокая стоимость
Графит широко распространен на земле, а производство графена недорого – батареи из этого материала стоят дешевле литий-ионных.
Замена дорогого и редкого лития на магний по технологии, используемой в России, значительно удешевит производство.
Проблемы новой технологии
Плюсы новой технологии очевидны, но производство графеновых АКБ имеет и свои недостатки.
Неподходящая плотность материала
Графен имеет низкую плотность, что ограничивает создание компактных источников энергии.
Большие размеры аккумуляторов
Большой размер батарей не позволяет устанавливать их в мобильные устройства.
Внимание! Можно сделать магний-графеновый аккумулятор своими руками, однако процесс создание графена в домашних условиях сложен:
Перспектива использования графеновых аккумуляторов в качестве альтернативного источника энергии может радикально изменить будущее человечества – отказ от углеводородов поможет улучшить экологию планеты.