Графеновые аккумуляторы — технология будущего

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:

• высокой электропроводностью;
• гибкостью;
• теплопроводностью;
• огромной механической прочностью;
• прозрачностью;
• непроницаемостью для большинства газов и жидкостей.

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:

1. При разряде на аноде происходит окислительная химическая реакция, которая приводит к появлению свободных электронов. Они стремятся попасть на катод, где их концентрация мала, однако на пути свободных электронов возникает сепаратор, поэтому для них остается единственный путь – цепь нагрузки, куда замкнута батарея. Направленное движение электронов питает присоединенное к батарее устройство энергией.
2. Положительно заряженные ионы лития также направляются к катоду, но уже через сепаратор, который свободно пропускает положительно заряженные частицы.
3. После перемещения всех электронов к катоду наступает фаза разряда аккумулятора.
4. Подав на электроды напряжение определенной величины, можно запустить процесс перемещения ионов в обратном порядке – электроны опять соберутся на аноде и будут оставаться там до очередного подключения нагрузки.

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:

• в металлической емкости в течение двух суток миксером, который работает от асинхронного двигателя, взбивают графитовый порошок и жидкость для мытья посуды;
• пену высушивают, полученную пыль растворяют в лаке для обработки алюминия;
• состав наносят на подложку из алюминия – получившийся материал и есть графен.

 

Перспектива использования графеновых аккумуляторов в качестве альтернативного источника энергии может радикально изменить будущее человечества – отказ от углеводородов поможет улучшить экологию планеты.