Графен — идеальный материал для создания высокоэффективных аккумуляторов будущего!
На данный момент, потенциальных покупателей электрокаров, чаще всего отпугивает скромный пробег машины на одном заряде и слишком продолжительный процесс подзарядки электронакопителя. Но, в самом ближайшем будущем, всё может в корне измениться. Потребителю сулят интересные гаджеты, которые будут давать возможность юзеру восполнить свой заряд всего за несколько минут, графеновые электронные элементы, а также другие наноматериалы. К чему я виду? В теме, я хочу сделать акцент на таком чудо-материале как графен, использование которого при изготовлении аккумуляторных батарей, в значительной степени повысит их эффективность и выведет тем самым источники питания на совершенно другой уровень. Но, обо всём по порядку.
Содержание:
- Преимущества графена.
- В чём отличие графена от графита?
- Разработчики из Индии.
- Свежие разработки графеновых электронакопителей.
- Как довести характеристики уже существующих электронакопителей до совершенства?
- Финансовые затруднения при реализации проектов.
- Какие планы на будущее?
Преимущества графена
По идее, графеновые электроаккумуляторы должны в значительной степени повлиять на все сферы повседневной жизни обычного человека. Вот пример, почему такое реально возможно: удельная ёмкость Li-ion батарей используемых на данный момент, составляет 200 Вт/ч на килограмм массы, а вот графеновый электронакопитель, идентичной массы, может предложить 1000 Вт/ч. Совершенно ясно, что графеновый источник питания установленный, к примеру, на Tesla Model S, даёт возможность поднять пробег электрокара с отметки 334 километра до отметки 1013 километров за один присест.
Но, существенное увеличение пробега — это ещё не всё! Такие чудо-аккумуляторы можно будет «заправлять» меньше чем за десять минут! Естественно, для достижения подобной скоротечности подзарядки, понадобится зарядная станция высокой мощности, но это не является какой-то серьёзной проблемой.
Графен — это тончайший материал, его толщина — всего 1 атом! Конкурентов по данному параметру у него в природе просто нет. Графен обладает невероятной прочностью — он по этому качеству приблизительно в 200 раз опережает сталь. Но и это ещё не все его достоинства: материал является превосходным проводником тепла и электроэнергии вдобавок он имеет в своём распоряжении любопытные способности поглощать свет.
В распоряжении графена имеется одно превосходнейшее свойство (в котором ему также нет равных) — высочайшая подвижность электронов. Слой графена можно вообразить в виде одной молекулы, а в её пределах беспрепятственно перемещаются электроны — это позволяет графеновому проводнику пропускать электроэнергию почти без потерь.
Специалисты прогнозируют, что в будущем графен будет возведён в ранг незаменимого материала для ПК, мобильных устройств и прочих гаджетов. Какие основания для таких предположений? В данной области наблюдается постоянная тенденция к убыстрению процедур обработки данных, а они в свою очередь, завязаны на тактовую частоту. Далее следует, чем больше рабочая частота, тем большее количество операций обработается за единицу времени. По этой причине, быстродействие носителей заряда является весьма важным параметром.
Масса графена не велика — всего 0,77 мг на 1 м2. По той причине, что это один 2D-лист, он обладает наивысшей площадью поверхности — и опять графен вне конкуренции. Графеновые листы гибкие и кроме того, данное вещество является самым растяжимым кристаллом — его можно растянуть на 20% от изначальной величины, при этом не разбивая его. Вдобавок графен обладает очень высокой степенью непроницаемости и даже атомы гелия не в состоянии проникнуть сквозь совершенный материал.
А вот какое интересное сравнение обсуждаемого вещества с алмазом. В составе алмаза имеют место 3-мерные связи и механически он весьма прочным является. У графита же, в плоскости межатомные связи аналогичные, а может даже, и прочнее!
Графен экологически чист и к тому же, он устойчив. Среди достоинств числятся безграничные возможности для большого количества использований. Графен — это реально фантастический материал, который, без преувеличений, вполне способен изменить мир. Он обладает беспредельным потенциалом и может быть интегрирован практически в какую угодно область.
Когда графеновые листы предоставлены сами себе, они начинают складываться, образуя тем самым графит, являющийся самой стабильной 3-мерной формой углерода при нормальных условиях.
В чём отличие графена от графита?
Начнём с графена. Это моноатомный слой, составленный из атомов углерода, который, как собственно и графит, обладает решёткой в виде сот. Что такое графит? В его слоистой структуре, слои графена сложены друг на друга! В графите, связь слоёв графена реализована посредством весьма слабых Ван-дер-Ваальсовых связей, по этой самой причине есть возможность разъединить их. К примеру, когда мы пишем обыкновенным карандашом, то снимаются слои графита, только вот след от карандаша, оставленный на бумаге, ещё не графен — это графеновая многослойная структура.
Если свести подобную структуру к одному слою — пожалуйста, перед вами настоящий графен. Такие расщепления воплотила в реальность пара Нобелевских лауреатов по физике — Новосёлов и Гейм. Они расщепили графит воспользовавшись скотчем и после того, как учёные досконально изучили свойства этого «графитового слоя», стало известно, что у него великолепные параметры для применения в микроэлектронике.
Разработчики из Индии
В декабре 2018-го года, фирма Log 9 Materials из Индии, сделала заявление, что её специалисты корпят над металлическими воздушными АКБ в основе которых — графен. Теоретически, это может даже стать толчком для появления электрифицированных средств передвижения, работающих на воде.
В воздушно-металлических аккумуляторах, металл играет роль анода, а воздух, а точнее кислород — роль катода. А вот место электролита в данном случае заняла вода! Графен, применяемый в электроде, может повысить действенность электроаккумулятора в 5 раз при цене в 1/3.
Свежие разработки графеновых электронакопителей
Многие специалисты занимающиеся разработками имеют такое мнение, что АКБ будущего будет обладать совсем иной формой, химсоставом и строением, по сравнению с Li-ion изделиями, которые за последний десяток лет вытеснили другие технологии со многих рынков. Эксперты ничуть не сомневаются в том, что будущее — за графеновыми электронакопителями.
Относительно недавно, испанская фирма Graphenano, представила прототип графен-полимерной АКБ в распоряжении которой, уникальное качество — аппаратура может заряжаться за в три раза меньшее время, нежели повсеместно распространённые Li-ion накопители. Удачные эксперименты Graphenano дали толчок тому обстоятельству, что самые различные разработчики начали проявлять огромнейший интерес к графеновым технологиям. Производители не долго думая стали предвкушать все выгоды использования такого оснащения.
Испанцы разработали электроаккумулятор под названием Grabat, обеспечивающий электрокару пробег на одном заряде до 800 километров. Ёмкость 2,3 V батареи впечатляет — до 1000 Вт⋅ч/кг. Если сравнивать со всё теми же Li-ion накопителями, то у лучших экземпляров можно наблюдать показатель всего 180 Вт⋅ч/кг. Специалисты «Графенано» заявляют, что Grabat можно подзарядить всего за несколько минут — у этого устройства, скорость заряда/разряда в 33 раза превышает таковую у Li-ion АКБ.
Что выгодного в быстрой разрядке? Она оказывает очень большое влияние на интенсивность разгонной динамики электрических машин. Кроме того, графеновые изделия и весят в 2 раза меньше Li-ion. А вот ещё одно преимущество перед литий-ионными электробатареями: АКБ на основе графена не могут организовать неожиданный и естественно, весьма неприятный для пользователя взрыв.
В конце 2015-го работники «Графенано» подготовили производственную мощность площадь которой составила более 7 тыс. м2. Цель — производить там графен-полимерные аккумуляторные батареи, а для получения максимального результата, Graphenano решили объединиться с фирмой Grabat Energy и когортой химиков из Национального университета города Córdoba.
Было организовано спецоборудование для обеспечения двадцати сборочных линий на 80 млн. ячеек. Разработчики из «Графенано» гарантируют, что такие электроаккумуляторы не будут выделять газы и пожароопасность им чужда, также, короткое замыкание, не нанесёт изделиям никакого вреда. Полимер прошёл сертификацию при взаимодействии с испанским институтом DEKRA и немецким TUV.
Как довести характеристики уже существующих электронакопителей до совершенства?
Если к обыкновенным материалам для изготовления электродов батареи добавлять графен, то их характеристики будут улучшены в значительной степени. Аккумуляторы изготовленные с применением графеновой технологии, могут порадовать потребителя низкой массой, долговечностью, а также впечатляющей ёмкостью. Не может не восхищать и скоротечность зарядки такого оборудования.
Графен имеет возможность обеспечить улучшение свойств электронакопителя разными методами. Конкретно, речь идёт о плотности энергии и форме. Итогом становится то, что литий-ионные электробатареи, да и другие разновидности АКБ, могут быть усовершенствованы посредством внедрения графена в анод электроаккумулятора. Также, учёные выяснили, что разработка гибридных материалов, может иметь важность для повышения качества накопителя. К примеру, симбиоз графена и катализа оксида ванадия, можно применять на Li-ion катодах. Он способен обеспечить ускоренный процесс зарядки, а также высокую устойчивость цикла зарядки. В этой ситуации, гибрид будет обладать повышенной энергоёмкостью, не слабой электропроводностью и именно графен служит основой для всего этого.
Учёные затрачивают не малые ресурсы на поиск новых типов активного материала для электродов, так как это поможет вывести аккумуляторы на совершенно иной уровень продуктивности и живучести. Кроме того, подобное оборудование хотят лучше приспособить для устройств больших размеров. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых АКБ, могут быть стать удачным решением.
К примеру, работники Венского университета в сотрудничестве с международными учёными создали новое наноструктурированное анодное вещество для ионно-литиевых аккумуляторов, увеличивающее срок эксплуатации и ёмкость электронакопителей.
Нанокомпозит 2D/3D на основе смешанного оксида металла и графена, изобретённый парой учёных и их коллегами, может в значительной степени улучшить электрохимические характеристики Li-ion АКБ. Данный материал вполне способен организовать новый подход к более рациональному применению накопителей в больших устройствах — это электрические либо гибридные средства передвижения. Естественно, более совершенный материал, как всегда, переигрывает литий-ионное исполнение: батареи на его основе стабильно удерживают свою функциональность на протяжении 3000 циклов заряда/разряда, а вот Li-ion электронакопители утрачивают свою эффективную работоспособность уже после примерно 1000 циклов зарядки.
Финансовые затруднения при реализации проектов
На сегодняшний день имеет место такая проблема, как огромное количество фирм занимающихся исследованиями в области источников питания. Новые разработки появляются как грибы после дождя, а очевидного фаворита среди всей этой братии — не наблюдается. Подобное положение дел влияет и на инвесторов, которые явно не спешат расставаться со своими капиталами, при вложении денежных средств в новые затеи.
Денег кстати, нужно довольно много: для организации небольшой производственной линии по выпуску высокотехнологичных батарей, потребуется что-то около 500 млн. долларов. Кроме того, создать перспективный источник энергии — это только половина дела, научный проект нужно ещё поставить на «коммерческие рельсы», что не является лёгким манёвром.
Создатели мобильных девайсов или производители электрокаров, будут подвергать тестам новое оборудование годами, перед тем как утвердить выгодный для себя вариант. Инвестиции за этот период не окупятся, а фирма-разработчик будет работать в убыток. Думаете, если свежая технология оказалась на рынке — всё, успех, удача, дело сделано и игра сыграна? Как бы не так — этого оказывается тоже ещё мало. Дело в том, что разработчику новинки, предстоит претерпеть сложный период адаптации и поиска потребителей. Однако таких обстоятельств, на данный момент, всё-равно, пока ни у кого не было, поэтому до покупателей дело не доходило!
К примеру, вот две фирмы, Leyden Energy и A123 Systems, создавшие новые, вполне себе многообещающие технологии, которые так и не добрались до рынка. Почему? Причина оказалась банальной: не потянули по денежным средствам! Можно вспомнить и ещё парочку подающих надежду «аккумуляторных стартапов» — Seeo и Sakti3. Их прикупили сторонние фирмы, причём суммы сделок были намного ниже тех, на которые изначально надеялись первые инвесторы.
Такие электронные гиганты как Samsung, LG и Panasonic, на самом деле больше поощряют модернизацию уже имеющихся у них технологий, чем создание АКБ с нуля. Так что, на данный момент эти производители занимаются оптимизацией литий-ионных электронакопителей разработанных ещё в 70-х годах прошлого столетия. Остаётся только надеяться, что «чудо-графену» всё-таки удастся внести серьёзные коррективы в эти обстоятельства.
Какие планы на будущее?
Сегодня на изучение графена выделено несколько млрд. долларов и по предсказаниям учёных, этот чуть ли не магический материал, вполне сможет вытеснить кремний из полупроводниковой промышленности. Специалисты ничуть не сомневаются в том, что в ближайшие годы графен в значительной степени повлияет на весь технологический мир. И тут дело не только в идеальности: его производство недорогостоящее и вдобавок материал весьма распространён в природе — каждая страна изобилует им!
Источники питания в основе которых лежит обсуждаемый в теме материал, в ускоренном режиме уравниваются по эффективности с традиционными твёрдотелыми электронакопителями. Но, графитовые изделия постоянно продвигаются вперёд и совсем не много времени осталось до того момента, когда они переиграют своих твердотелых оппонентов. Даже если эффективность оставляет желать лучшего, дополнительные плюсы, которые даёт наличие графена в электродах — лишними не будут.
Графеновые электроаккумуляторы уже начали уверенно набирать ход на коммерческом рынке. По прогнозам экспертов, к 2022-му году, мировой рынок АКБ на основе графена достигнет 115 млн $, так что, рядовому потребителю можно смело надеяться только на лучшее.
Заключение
Ну что же, идеальный материал для источников питания найден, исследовательская деятельность не останавливается, разработки новых технологий на его основе ведутся. Среднестатистическому юзеру остаётся верить в то, что осталось не так уж и много времени до того момента, когда такие электронакопители получат широкое распространение и будут доступны каждому желающему. А преимуществ у такого оборудования — ой как много!
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
