Графеновый аккумулятор — современные технологии

Даже те, кто мало разбирается в технике, знают, что любой автономной системе, работа которой связана с электричеством, требуются независимые источники электроэнергии. Это мобильные устройства, транспортные средства, оборудованные аккумуляторами и батареями.

«Батарейки», широко используемые сейчас, ограничены в объеме и имеют непродолжительный срок службы. Графеновый аккумулятор этих недостатков лишен. В статье пойдет речь о том, что собой представляют такие батареи, как они устроены, какие у них достоинства и недостатки и где их можно найти.

О материале графен

Известно две формы углерода – графит и алмаз. Первый используется в качестве стержней карандашей, алмаз – наиболее прочный материал на всей планете. В 2004 году российские ученые «получили» ранее неизвестную, третью форму – графен.

Сам графен – это вещество пленкообразной структуры, «собранное» из атомов углерода (как гласит википедия). В природных условиях эту двумерную пленку не встретишь. Изготавливается она человеком, для чего требуются повышенное давление и температура.

По факту, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка.

Электроны в веществе сохраняют свою подвижность, поэтому открытый в 2004 году материал годится для «внедрения» в полупроводниковые схемы, батареи и нанотехнологии. Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость.

Графеновые аккумуляторы

«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.

На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.

Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.

Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.

Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.

Есть две технологии производства графеновых источников питания:

• американская модель. Источником реакции выступают кобальтат литий и катод из перемежающихся пластин кремния и графена;
• российская модель. Магний-графеновая модификация, в которой литиевую соль (анод) заменили на оксид магния (доступное и менее токсичное вещество).

У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.

Преимущества и недостатки

Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:

• исходное сырье доступно и распространенно. Сейчас графен производят в промышленных масштабах, причем довольно простым способом;
• малый вес. Масса 1 м² графена – менее 1 грамма. Значит, снижается общая масса аккумулятора, что вносит свои коррективы в производство электромобилей;
• экологически чистое вещество, не оказывающее негативного воздействия на окружающую среду;
• высокие показатели прочности и водонепроницаемости;
• поврежденные участки быстро восстанавливаются;
• проводимость выше, чем у любого доступного сейчас полупроводника;
• высокая удельная емкость. Если графеновая батарея применяется как источник тока, то электрический автомобиль способен «на ней» проехать 1000 км не подзаряжаясь;
• технически долговечное вещество, мощность которого не снижается из-за частых циклов зарядки/разрядки;
• быстро заряжается.

Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.

Устройство

Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.

Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.

Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.

Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).

Особенности магний-графенового аккумулятора

Первые магниевые батареи были разработаны испанскими учеными в 2017 году. Графеновые аккумуляторы, в которых электролитом выступает магний, более емкие и быстрее заряжаются.

Нередко это изобретение относят к батареям нового поколения. При этом, они на 77% дешевле и на 50% легче литий-ионных аналогов.

Высокая подвижность ионов позволяет зарядить такой аккумулятор за 8 минут. А максимальной емкости достаточно, чтобы электромобиль смог проехать 1000 км.

Принцип действия любых аккумуляторов – химические процессы окисления и восстановления. Магний, который стоит практически в 20 раз дешевле лития, выбран неслучайно.

Магний, как литий, не взрывоопасен при контакте с жидкостью, также его легче утилизировать. Да и запасов его на планете куда больше.

По мнению ученых, новые магний-графеновые батареи будут иметь емкость в 2,5 раза больше, чем у традиционных литиевых источников питания.

Немецкие автомобильные концерты приняли такую батарею на тестирование. Тест оказался успешным и пошли разговоры об использовании аккумуляторов в промышленности.

Электромобиль, работающий без использования ископаемых источников топлива, не будет таким же быстрым, как транспортное средство на бензине или «дизеле». Но снижается цена питания и обслуживания. А это уже значимый шаг, который еще более отображает перспективность машин на электричестве.

По их мнению, подобные источники питания станут еще безопаснее, более стойкими к возникновению коротких замыканий.

Где купить аккумулятор

Аккумуляторы, сделанные из графена, пока что остаются только в виде проектов. Если они будут реализованы, то получатся батареи, которые смогут в течение года работать без подзарядки. Пока что заряд приходится постоянно пополнять и все знают, сколько примерно заряжаются литий-ионные «пластины».

Достаточно представить, что в одной коробочке, размером с пачку масла, может вмещаться 1 мегаватт энергии — такое изобретение кто-то захочет использовать как оружие с немалой поражающей мощностью. Производители продолжают тестировать новинку на своих автомобильных концернах, доводя ее до «норм».

Углеродные источники питания – технология, которая найдет отклик в будущем, когда будут отлажены все технические тонкости производства. Тогда, может быть, появятся и первые смартфоны с графеновыми аккумуляторами, которые будут заряжаться за несколько минут.

Как вам статья?