Графен — наноматериал будущего для аккумуляторных батарей
Графен – самый тонкий в мире материал, изобретенный несколько лет назад. Ученые надеются, что с его помощью удастся создать более легкие и долговечные, а главное – значительно более энергоемкие батареи, которые пригодятся в сфере электротранспорта и возобновляемой энергетики. Активные исследования возможностей прикладного применения графеновых технологий уже проводят, в частности, британские и американские ученые.
Графен – углеродная пленка толщиной один атом. За изобретение этого наноматериала в 2010 присудили Нобелевскую премию по физике.
Манчестер – родина графена: именно здесь в 2004 впервые удалось создать этот двумерный, толщиной всего один атом, алотроп углерода. Манчестерский университет стал центром прикладных и фундаментальных графеновых исследований. Возглавил разработки специально созданный в его рамках Национальный графеновый институт.
Такое внимание к новому веществу является небеспочвенным: новый материал обещает революцию в современной электротехнике и химических технологиях. Он мощный проводник, невероятно легкий, к тому же химически инертный, гибкий, обладает значимой площадью поверхности. Нано-субстанция стала находкой для ученых, работающих над созданием большеемкостных накопителей энергии.
Вскоре после открытия графена эксперименты показали, батареи с новым материалом в электродах по сравнению с обычными имеют большие емкость и срок эксплуатации. Работу над созданием эффективных энергонакопителей продолжит новый проект «Электрохимическое энергосбережение с применением графеносодержащих материалов».
«Однако прежде, чем создавать батареи, нужно узнать, как графен взаимодействует с различными химическими веществами, особенно электролитами», — отмечает профессор Школы электроники и электротехники Университета Манчестера Эндрю Форсайт.
Его коллега, профессор Роберт Драйф из Школы химии, анализирует химическое взаимодействие графена и ионов лития. Также профессор Драйф изучает скорость передачи электронов через нано-материал и величину электроёмкости (объем электрической энергии, который можно хранить на графеновых поверхностях).
Еще одним направлением проекта является разработка суперконденсаторов на графеновой основе. Они имеют большую мощность и дольше служат по сравнению с батареями, однако им свойственна меньшая энерго-аккумуляционная способность.
Профессор Форсайт считает, что сочетание графеновых батарей и суперконденсаторов может серьезно продвинуть развитие электромобилей. Сегодня эти экомашины используют батареи, весом в 200 кг. Столько же весят трое пассажиров. Уменьшив массу батарей, графен резко увеличит эффективность электрокаров и радиус их действия.
«Если мы увеличим расстояния, которые могут преодолевать автомобили без подзарядки, это сделает их более популярными», — говорит профессор Форсайт.
Но как батареи будут справляться с нагрузкой во время реальной поездки? Нагрузка на автотранспорт на протяжении путешествия не является равномерной. Резкие пики потребления энергии (когда водители давят на «газ») нагружают батарею и ограничивать срок ее эксплуатуции.
Именно поэтому тестовые графеновые батареи и суперконденсаторы планируют испытывать в условиях имитации реального вождения. Также проверят реакцию новых батарей на экстремальные погодные условия, особенно на холод.
Применение графеновых аккумуляторов выгодно не только в сфере экотранспорта. Пользу от них может получить и отрасль возобновляемой энергетики, в частности, солнечные и ветровые электростанции. Ведь когда солнце надолго заходит за облака или царит штиль, существенно падает производство электроэнергии. Большеемкостные батареи смогут запасать электричество, чтобы потом компенсировать спады в ее производстве.
Для успешного осуществления прикладных исследований манчестерские ученые наладили сотрудничество с рядом коммерческих структур, в частности, с корпорациями «Sharp», «Rolls-Royce», «Morgan Advanced Material». В целом «Graphene @ Manchester» наладил связь более, чем с 40 компаниями со всего мира.
Работа над графеновыми технологиями продолжается не только в Великобритании. Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде недавно разработали новейший суперконденсатор с использованием оксида рутения и графеновой пены. Изобретение обеспечит электромобилям более быстрый разгон, а портативной электронике – более долгую жизнь батарей. «Пенный» электрод выдержал 8000 циклов разрядки-зарядки без падения эксплуатационных показателей.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
