Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы. Графеновый аккумулятор


Графеновый аккумулятор для электромобиля

Многие считают, что будущее автомобилестроения именно за электрокарами. За границей существуют законопроекты, по которым часть ежегодно продаваемых автомобилей должны либо быть гибридами, либо работать на электричестве, поэтому деньги вкладываются не только в рекламу таких авто, но и в постройку заправок.

графеновый аккумулятор

Однако многие люди все-таки ждут, когда электрокары станут настоящими соперниками традиционным автомобилям. А может, это будет, когда время зарядки уменьшится, а время автономной работы увеличится? Возможно, в этом человечеству помогут графеновые аккумуляторы.

Что такое графен?

Революционный материал нового поколения, самый легкий и прочный, самый электропроводящий - все это о графене, который является не чем иным, как двумерной углеродной решеткой толщиной в один атом. Создатели графена, Константин Новоселов и Андрей Гейм, получили Нобелевскую премию. Обычно между открытием и началом практического использования этого открытия на практике проходит продолжительное время, иногда даже десятки лет, однако графен такая участь не постигла. Возможно, это связано с тем, что Новоселов и Гейм не утаили технологию его производства.

графеновые аккумуляторы

Они не только рассказали о ней всему миру, но и показали: есть видео на YouTube, где Константин Новоселов подробно рассказывает об этой технологии. Поэтому, возможно, скоро мы сможем даже делать графеновые аккумуляторы своими руками.

Разработки

Попытки применения графена были практически во всех областях науки. Его пробовали в солнечных батареях, наушниках, корпусах и даже пытались лечить рак. Однако на данный момент одна из самых перспективных и нужных человечеству вещей - это графеновый аккумулятор. Напомним, что при таком неоспоримом преимуществе, как дешевое и экологичное топливо, электромобили имеют серьезный недостаток - относительно небольшую максимальную скорость и запас хода не более трехсот километров.

Решение проблемы века

Графеновый аккумулятор работает по тому же принципу, что и свинцовые с щелочным или кислотным электролитом. Этим принципом является электрохимическая реакция. По устройству графеновый аккумулятор схож с литиево-ионным с твердым электролитом, в котором катодом является угольный кокс, близкий по составу к чистому углероду.

Однако уже сейчас среди инженеров, разрабатывающих графеновые аккумуляторы, есть два принципиально разных направления. В США ученые предложили делать катод из пластин графена и кремния, перемежающихся между собой, а анод - из классического кобальта лития. Российские инженеры нашли другое решение. Токсичная и дорогая литиевая соль может быть заменена более экологичным и дешевым оксидом магния. Емкость аккумулятора увеличивается в любом случае за счет повышения скорости прохождения ионов от одного электрода к другому. Это достигается вследствие того, что графен обладает высоким показателем электрической проницаемости и способностью к накоплению электрического заряда.

графеновые аккумуляторы своими руками

Мнения ученых относительно инноваций разделяются: российские инженеры утверждают, что графеновые аккумуляторы имеют емкость в два раза больше, чем литий-ионные, а вот их зарубежные коллеги утверждают, что в десять.

Графеновые аккумуляторы запущены в массовое производство в 2015 году. К примеру, этим занимается испанская компания Graphenano. По словам производителя, использование этих аккумуляторов в электрокарах на логистических площадках показывает реальные практические возможности батареи с графеновым катодом. Для полной зарядки ему требуется всего восемь минут. Максимальную длину пробега также способны увеличить графеновые аккумуляторы. Зарядка на 1000 км вместо трехсот - вот что хочет предложить потребителю корпорация Graphenano.

Испания и Китай

С Graphenano сотрудничает китайская компания Chint, которая купила 10 % акций испанской корпорации за 18 миллионов евро. На совместные средства будет осуществляться постройка завода с двадцатью производственными линиями. Проект уже получил около 30 миллионов инвестиций, которые будут вложены в установку оборудования и наем сотрудников. По первоначальному плану завод должен был начать выпускать около 80 миллионов батарей. На начальном этапе основным рынком должен стать Китай, а затем планировалось начало поставок в другие страны.

графеновый аккумулятор для электромобиля

На втором этапе компания Chint готова инвестировать 350 миллионов евро для постройки еще одного завода, на котором будет около пяти тысяч сотрудников. Такие цифры неудивительны, если учесть, что суммарный доход будет составлять около трех миллиардов евро. К тому же Китай, известный своими проблемами с экологией, будет обеспечен экологичным и дешевым "топливом". Однако, как мы можем наблюдать, кроме громких заявлений, свет не увидел ничего, только тестовые модели. Хотя корпорация Volkswagen тоже объявила о своем намерении сотрудничать с Graphenano.

Ожидания и реальность

На дворе 2017 год, а это значит, что Graphenano занимаются "массовым" производством аккумуляторов уже два года, однако встретить электромобиль на дороге - большая редкость не только для России. Все характеристики и данные, обнародованные корпорацией, довольно неопределенны. В целом они никак не выходят за рамки общепринятых теоретических представлений о том, какими параметрами должен обладать графеновый аккумулятор для электромобиля.

графеновый аккумулятор для авто

К тому же до сих пор все, что было представлено как потребителям, так и инвесторам, - это только компьютерные модели, никаких настоящих прототипов. Добавляет проблем и то, что графен - материал, который очень дорог в производстве. Несмотря на громкие заявления ученых о том, как его можно будет "печатать на коленке", на данном этапе снизить удается только стоимость некоторых компонентов.

Графен и мировой рынок

Сторонники всяческих теорий заговоров скажут, что никому не выгодно появление такого автомобиля, потому что тогда нефть уйдет на задний план, а значит, сократятся и доходы от ее добычи. Однако, скорее всего, инженеры столкнулись с какими-то проблемами, но не хотят это афишировать. Слово "графен" сейчас на слуху, многие считают его материалом будущего, поэтому, возможно, ученым не хочется портить его славу.

Проблемы в разработках

Однако дело может быть и в том, что материал действительно инновационный, поэтому подхода требует соответствующего. Возможно, аккумуляторы с использованием графена должны быть принципиально отличными от традиционных литий-ионных или литий-полимерных.графеновые аккумуляторы зарядка на 1000 км

Существует и еще одна теория. Корпорация Graphenano заявила, что новые аккумуляторы заряжаются всего за восемь минут. Специалисты подтверждают, что это действительно возможно, только мощность источника питания должна быть не менее одного мегаватта, что возможно в тестовых условиях на заводе, но никак не в домашних. Постройка достаточного количества заправок с такой мощностью будет стоить огромных денег, цена одной подзарядки будет довольно высока, поэтому графеновый аккумулятор для авто не принесет никакой выгоды.

Практика показывает, что революционные технологии достаточно долго встраиваются в мировой рынок. Необходимо провести множество тестов, чтобы убедиться в безопасности продукта, поэтому выход новых технологических устройств порой затягивается на долгие годы.

fb.ru

Графеновый аккумулятор

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. 

Содержание статьи

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.

Графен

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Графеновый аккумулятор

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.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.Вернуться к содержанию  

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.

Устройство графенового аккумулятора

Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:
  • Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
  • Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
  • Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
  • Не загрязняют окружающую среду;
  • Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
  • Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
  • Довольно легко устранить повреждения;
  • Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

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.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей. Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.Вернуться к содержанию 

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%.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий─ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Graphenano

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

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.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

Графен-полимерная аккумуляторная батарея

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.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.Вернуться к содержанию

akbinfo.ru

Графеновые аккумуляторы

Сколько бы человечество ни билось над проблемой запасания впрок кулонов и электронов, природа подкидывает ему все более каверзные задачи и запасенная энергия находит новые лазейки для того, чтобы утечь в самый неподходящий момент. Особенно этот процесс усиливается в морозы – столь обыкновенное явление для России. Идеальным решением для автомобилиста стал бы такой аккумулятор, в который умещается раз в 10 больше энергии, а процесс зарядки занимает нескольких секунд. И если ученые сумеют справиться к капризным и непостоянным веществом, получившим название графен, эта фантастическая мечта осуществится.

Углерод, как основа мироздания

Основное вещество, из которого создано все сущее и живое на планете Земля – это углерод. Соединяясь в причудливые кристаллические решетки и объединяясь с другими веществами, из него получаются ткани человеческого тела, насекомых и растений. В чистом виде он представлен графитом, очень распространенным в природе веществом. Возможно, вы будете оскорблены, но мозг, управляющий рукой, и грифель карандаша, удерживаемого ею, идентичны по химическому составу на атомном уровне.

Графит применяется везде. Это и карандашный грифель, и смазка, и деталь электротехнических устройств, и многое, многое другое. Сфера его применения становится еще большей, если удаётся сделать такой срез, чтобы трехмерная кристаллическая решетка графита стала двухмерной, толщиной в один атом углерода.

На рисунке представлена кристаллическая решетка графита.

Первые, кому удалось механически расщепить графит на атомном уровне, – наши соотечественники Константин Новосёлов и Андрей Гейм. Случилось это в 2004 году. В России они признания не нашли, зато были обласканы в Нидерландах и уже в 2010 году получили Нобелевскую премию по химии за открытие нового вещества, получившего название «графен».

Сами понимаете, такую кучу денег за тривиальную графитовую пыль не заплатят. Надо, чтобы вещество обладало уникальными свойствами.

Графен – почти мистика

Графен – двухмерная кристаллическая структура атомов углерода – обладает рядом уникальных физических свойств. Например, при толщине листа в 91 Пм (1 пикометр – это 10-12 обычной метрической единицы измерения) он выдерживает нагрузку в 4 килограмма.

Это кристаллическая решетка графена.

Для электроники и электротехники это вещество является просто подарком, ведь оно унаследовало от графита отличную тепло- и электропроводность. Графен способен заменить полупроводники на основе дорогих редкоземельных металлов, при этом получаемые из него элементы в несколько раз меньше. Это дает толчок к дальнейшему уменьшению размеров носимой электроники. Но и это еще не все – унаследовав от графита еще и тепловую стойкость, графен позволяет увеличить допустимую мощность микроэлектронных схем.

Кристалл, раскатанный в плоскость, сам по себе имеет огромный поверхностный заряд, поскольку напряженность поля электронных облаков атома не тратится на удержание в трехмерной структуре. Плоский кристалл может накопить еще больший заряд, и сделать это практически мгновенно, ведь потоку электронов сопротивляется всего один атом. Аккумуляторы с графеновым катодом емкостью в 55 А/час заряжаются за 8 секунд.

Борьба с атомным естеством

Сложность изготовления и применения графена в том, что он стремится стать обычным графитом с трехмерной кристаллической структурой. Происходит это потому, что каждый атом углерода имеет электромагнитное поле и представляет собой однополярный магнит. Он обязательно должен к чему-нибудь «приклеиться», за счет чего образуются новые вещества, имеющие трехмерную кристаллическую структуру. Ученые уже научились бороться за то, чтобы графен оставался в виде плоской атомной решетки. Запатентованных ими способов чрезвычайно много, но они так сложны для понимания, что неискушенному обывателю лучше принять на веру – у них это получается. При этом им еще и удается свернуть его в трубку, значительно увеличивая общую площадь кристалла.

Графеновые аккумуляторы

Аккумуляторы с использованием графена работают на том же принципе электрохимической реакции, что и широко распространенные свинцовые с кислотным или щелочным электролитом.

По устройству они очень похожи на литий-ионные аккумуляторы с твердым электролитом. Сейчас в них в качестве катода применяется угольный кокс, вещество по химическому составу близкое к чистому углероду.

Графеновые аккумуляторы

Графеновые аккумуляторы

Существует два принципиально разных направления создания графеновых аккумуляторов. В ученые из США предлагают использовать в качестве анода такого накопителя энергии всё то же соединение – кобальтат лития (LiCoO2), а катод делать из перемежающихся пластин кремния и графена.

В инженеры из России предлагают заменить дорогую и токсичную соль лития на дешевый оксид магния. И в том, и в другом случае емкость аккумулятора увеличивается, как и скорость прохождения ионов между электродами за счет высокой электрической проницаемости графена и его способности накапливать электрический заряд. В оценке преимуществ инновационной техники ученые разнятся: наши утверждают, что емкость графеновых аккумуляторов в 2,5 раза больше, чем литий-ионных, а зарубежные – что в десять.

Массовое производство аккумуляторов с графеновыми катодами началось в конце 2015 года. Например, такие делает корпорация Graphenano из Испании. Ими оснащают электрокары, работающие на логистических площадках. Опыт их практического применения подтвердил, что на полную зарядку требуется 8 секунд, а длина пробега между ними увеличилась с 500 до 800 километров.

Оцените качество статьи. Нам важно ваше мнение:

electric-tolk.ru

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Написано 4 января 2018от generator-prosto.

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.

Содержание статьи:

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.

ГрафенНесмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра. При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике. Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Графеновый аккумулятор

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.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно. Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд. Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

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.

Устройство графенового аккумулятораСреди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

  • Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
  • Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
  • Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
  • Не загрязняют окружающую среду;
  • Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
  • Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
  • Довольно легко устранить повреждения;
  • Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

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.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей. Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

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%.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7-10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий-ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Graphenano

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен-полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

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.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий-ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

Графен-полимерная аккумуляторная батареяВ 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.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.

Популярные статьи:

Опубликовано в Аккумуляторы

generator-prosto.ru

Графеновые аккумуляторы заряжают электромобиль за 8 минут на 1000 к…

Испанские инженеры разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на 77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км. Графеновые батареи уже взяли на тестирование две из 4-х немецких автомобильных компаний.Blog by saharin: графеновые батареи для электромобилей: Устойчивые изделия и конструкции Читайте также:4 новости от Тесла Моторс, которые изменят весь мирStrati, первый в мире электромобиль, напечатанный на 3D принтере за 40 часовКак возникают кладбища новых непроданных автомобилейЭлектромобиль, конечно, очень привлекательный вид транспорта. Транспортное средство, которое не загрязняет окружающую среду, создает меньше шума, и ездит на дешевом топливе, это, конечно, очень интересно. Хотя они и не достигают мощности и скорости транспортных средств на ископаемом топливе, но все же они удовлетворяют основные транспортные потребности большинства людей.

Тем не мене современные электромобили имеют 2 основных недостатка: очень долгое время зарядки и короткое время автономной работы. И хотя литий-ионные аккумуляторы, которыми укомплектованы текущие электромобили, постоянно улучшаются, для полной их зарядки требуется несколько часов, а автономия в перемещении едва достигает 300 километров. Эти ограничения сможет убрать новый графен-полимерный аккумулятор разработанный испанской компанией Graphenano совместно с исследователями из университета Кордовы. Blog by saharin: графеновые батареи для электромобилей: Устойчивые изделия и конструкции Компания Graphenano является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так что они знают, что делают. И правда в том, что графеный аккумулятор может сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он весит половину литий-ионного аккумулятора, он стоит на 77% меньше, заряжается за восемь минут, и предлагает автономность езды до 1000 километров.

4 главных преимущества графена
Blog by saharin: графен: Устойчивые изделия и конструкции Графен — это чудо-материал, который выявили лишь в 2004 году в листе углерода толщиной в один атом. Это в миллион раз тоньше, чем лист бумаги.

Графен является  чрезвычайно легким: лист одного квадратного метра весит всего 0,77 грамма. Он прозрачный, гибкий, водонепроницаемый, не загрязняет окружающую среду, и в 200 раз прочнее стали. Кроме того, он сверхпроводимый: его проводимость в 100 раз быстрее, чем у современных кремниевых чипов.

Графен проводит тепло, вырабатывает электроэнергию и меняет свои свойства в сочетании с другими материалами. Он настолько совершенен, что даже атомы гелия, мельчайшие в мире, в нем могут пересекаться. И еще его очень легко восстановить после повреждений.

Как это не странно, графен недорогой в производстве, и очень распространен в природе. Все страны имеют его в изобилии.

О свойствах и возможностях применениях графена можно посмотреть на этом видео Компания Graphenano начнет производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые будут тестировать их на своих автомобилях.Blog by saharin: графеновые батареи для электромобилей: Устойчивые изделия и конструкции Из-за своей плотности, графеновые батареи слишком велики для использования на мобильных устройствах, но Graphenano работает над тем, чтобы уменьшить их размер. Если это им удастся, то смартфон можно будет заряжать всего за 5 секунд.

Графен, несомненно, является одним из материалов, которые перевернут технологии в ближайшие годы. Это только начало…

По материалам www.elmundo.es

rodovid.me

Графеновые аккумуляторы - будущее уже рядом

Графеновые аккумуляторы

Сравнительно недавно Graphenano – компания из Испании продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.

 

Итак, что же такое графен?

Мы уже писали об графеновом аккумуляторе заряжаемом за несколько секунд и хотим напомнить, что графен представляет из себя углеродный кристалл в котором все атомы находятся на плоскости в виде шестиугольников. По другому можно выразиться так – графен это очень тонкий, эластичный, бесцветныйлист углерода толщина которого составляет всего лишь один атом. Это очень прочный и энергоемкий материал. Нужно сказать, что впервые этот материал получили в 2007 г. советские ученые К. Новоселов и А. Гейм, которые уже сменили гражданство и живут в Великобритании.

Графеновые аккумуляторы

В настоящее время исследовательские лаборатории многих стран заняты поиском наиболее простого способа получения графена и безусловно уже в ближайшее время будет выработан оптимальный вариант его производства, ведь все прекрасно понимают, что графен совершит революцию в электронике.

Основные преимущества графена

— это самый тонкий материал из всего что существует на Земле, ведь его толщина всего лишь один атом;

— его твердость выше алмаза;

— графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов. Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами.

— ну и самое интересное – графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.

Что нам сулит применение графена?

Прежде всего графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

Графеновые аккумуляторы

Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение. В настоящее время потенциальных покупателей электромобилей зачастую пугает перспектива довольно небольшого пробега автомобиля от одной подзарядки и слишком долгий процесс заряда аккумуляторов. В самое ближайшее будущее все может очень сильно измениться и нас ждут весьма интересные девайсы способные заряжаться за несколько минут, а также графеновые электронные компоненты и другие наноматериалы, которые смогут сделать технологическую революцию в мире.

amazinews.ru

графеновые аккумуляторы, Графеновые аккумуляторы устройство

Графеновые аккумуляторыНа сегодняшний день разработка новых материалов, на основе которых будут производиться аккумуляторные батареи, ставится на передний план перед многими исследовательскими лабораториями и университетами разных стран. Таким образом, был найден новый революционный материал под названием графен.

Особенности Графена.

По своему строению – это особая модификация углерода, состоящая из слоя атомов углерода толщиной всего в один атом. По исследовательским данным, графен имеет удельную энергоемкость около 65 кВт*ч/кг. Этот показатель в целых 47 раз больше, чем у распространенных сегодня литий-ионных аккумуляторов. Но материал еще находился на стадии тщательного исследования и имел небольшую нестабильность. Потом ученые Австралийского Университета Монаша нашли способ удержания тончайших графеновых пластин в стабильности путем переработки материала в особый водный гель.

В ходе исследований геля было определено, что если из такой составляющей изготовить аккумулятор, то скорость его зарядки будет составлять несколько секунд. Разработчики этого материала заявляют, что  создание аккумулятора на основе графена было только задумкой, и никто не воспринимал ее всерьез. Все собранные из него конструкции стремительно пытались упорядочится в обычный графит и теряли свои свойства.

Графеновые аккумуляторы перспективы развития.

Сейчас, открытие графена имеет не такую популярность, как раньше, но разработки аккумуляторных батарей на его основе не заканчивались и уже достигли определенных положительных результатов. Именно этот материал послужил толчком прогресса в процессах исследовательских работ по определению инновационных технологий накопления и удержания электрической энергии. Данные работы начались в далеком 2010 году и продолжаются по сей день в Китае, Корее, Испании, а также США.

Существенного прорыва удалось добиться американским ученым, которые изобрели суперконденсатор на основе данного материала. Он имел энергоёмкость, которая в сотни раз превышала ёмкость уже существующих батарей. Главной причиной нераспространенности конденсатора стала узкая сфера использования, в которую входили только мало потребляющие аппараты, такие как телефоны, планшеты и другие.

Первыми, у кого получилось изобрести стабильную аккумуляторную батарею, стали испанские исследователи Университета Кордовы. Разработанные батареи получились очень мощными и производительными, что позволяет вывести их на новый уровень. В скором времени графеновые аккумуляторы будут активно использоваться в автомобилестроении. В ходе исследований было точно определено, что автомобили с такими батареями на борту, смогут проезжать без подзарядки до тысячи километров. На подзарядку таких аккумуляторов будет уходить не более восьми минут.

Для справки, современные электромобили с уже известными видами батарей проезжают в среднем до 400 километров, а время зарядки может длиться до нескольких часов.

Испанские изобретатели уже успели успешно протестировать графеновые аккумуляторы с двигателями электромобилей крупного автомобильного производителя по имени BMW. В ходе тестов были сняты все основные характеристики поведения аккумуляторных батарей, вследствие чего были проведены нужные расчеты. По этим расчетам стало ясно, что батареи на основе графена с полной уверенностью могут помочь в решении вопроса низкой энергоэффективности уже существующих видов аккумуляторных батарей. Также в будущем позволит значительно снизить рыночную стоимость электромобилей.

Таким образом,   графеновые аккумуляторы позволят снизить загрязнение окружающей среды от выхлопных газов, путем постепенного вытеснения бензиновых двигателей с дорог большинства стран мира.

Компания Graphenano, которая является передовым разработчиком графеновых технологий, а также основным поставщиком графита, заявляет, что массовые производства новых аккумуляторных батарей на основе графена могут стартовать уже в следующем году, при условии успешного окончательного исследования данного материала. Появление графеновых аккумуляторов на рынке кардинально изменит технологии производства электротоваров, нуждающихся в автономной работе.

 

Система Orphus

«Если Вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста выделите это место мышкой и нажмите CТRL+ENTER»

 

 

admin 22/12/2014"Если статья была Вам полезна, поделитесь ссылкой на неё в соцсетях"

avtolektron.ru


Смотрите также