Что такое графеновые аккумуляторы

Материал графен

Углеводородный кристалл атомы вещества которого расположены на одной плоскости называют графеном. Лист данного материала имеет толщину не более одного атома, вещество не имеет цвета. Отличительными особенностями графена стали высокая прочность и энергетическая емкость.

Российским ученым удалось синтезировать такое вещество искусственным путем на окисле кремния. Полученная толщина составила значение в миллион раз тоньше обычного листа бумаги.

Многие страны современного мира занимаются созданием поточных производственных линий по изготовлению графена. На базе такого вещества получится создать такие приборы как:

• сверхтонкие мониторы;
• приборы на полупроводниках;
• графеновый аккумулятор.

Интересно знать! Источники питания на основе графена не содержат токсичных примесей и веществ.

Графеновый аккумулятор своими руками

Уже понятно, создать двухмерную структуру графена и закрепить его свойства – задача не из простых. Ученые всего мира работают над проблемой. Сделать в кустарных условиях графеновый аккумулятор невозможно.

Но усвоив, что слой углерода должен быть микроскопически тонким, мастера получают такой разными способами. Они истирют графит в тонкодисперсный порошок, производят химическую обработку, наносят его на подложку из алюминия. Предлагаем ознакомиться с одним из способов получения нужного состава.

Перспективы графена

Широкое распространение данного вещества позволит создавать новые производства и исследовательские центры. Станет возможным применять такой материал на производстве и для хозяйственных нужд. Серийное изготовление графена позволит создавать:

• линии для производства данного материала;
• новые модели электромобилей;
• специализированные энергозаправки;
• открытие новых электростанций;
• создание компьютеров компактных размеров;
• позволит снизить вредные выбросы.

Что такое графеновый аккумулятор

Благодаря открытию углеводородного материала с кристаллами толщиной в один атом, у исследователей возник вопрос создания совершенной аккумуляторной батареи с улучшенными техническими характеристиками.

Устройство источника питания

Принцип работы графеновых источников питания многим напоминает распространенные кислотные аккумуляторы. В процессе протекания химических реакций происходит выработка и накопление электрического тока.

Устройство источников питания на основе графена напоминает литий полимерные АКБ. В настоящее время для того, чтобы создать графен полимерный аккумулятор разработано несколько специальных технологических процессов.

В роли положительного электрода выступает материал, состоящий из пластин графена и кремния. Отрицательным электродом служит в одном случае вещество на основе кобальта, во втором магниевый оксид, имеющий пониженную стоимость. Изготовление таких источников питания в домашних условиях невозможно ввиду сложности технологии производства.

Виды

Современные технологии рассматривают два основных направления по разработке графеновых источников питания:

1. Лития кобальтат применяется в качестве отрицательного электрода. В роли положительно заряженного электрода выступает материал, состоящий из монопленки и графена. Применение таких аккумуляторов не распространено так как их производство обусловлено повышенными затратами, помимо этого, соли на основе лития обладают токсичностью.
2. Во втором варианте исполнения данных батарей в качестве отрицательного электрода применяют соединения на основе магния. Такие источники питания обладают повышенными полезными характеристиками и имеют пониженную стоимость. Используемые вещества в таких батареях не являются токсичными.

Интересно знать! Магний графеновые батареи являются наиболее перспективным направлением при разработках в этой отрасли.

Как устроен графеновый аккумулятор

На самом деле графеновый аккумулятор по своему строению мало чем отличается от строения литий-ионной батареи с твердым электролитом.Единственное что в случае с графеном катод выполнен из угольного кокса, по причине того что его хим. состав приближен к чистому углероду, а графит заменен на графен.

Для того чтобы повысить емкость батареи инженеры добавили между слоями графена участки из кремния. А для увеличения скорости зарядки в пластинах графена проделали небольшие отверстия по 15-20 нанометров в диаметре.

Вот и все в остальном это обычная батарейка.

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

• уменьшенный вес изделия, за счет применения легких металлов;
• с использованием современных технологий удалось добиться создания источников питания с малыми размерами;
• повышенное значение внутренней проводимости;
• увеличенный срок службы;
• повышенное значение внутренней емкости и устойчивости к износу;
• имеют возможность регулировки основных параметров;
• сравнительно малая стоимость;
• распространенность кристаллов углеводородов в природе.

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

• Имеют плотность не пригодную для питания мобильной электроники. Аккумулятор, изготовленный для переносных гаджетов, будет иметь относительно большие размеры.
• Малое число энергозаправочных станций для графеновых батарей.
• В составе некоторых электродов при изготовлении применяется литий, который является редким металлом.

Видео на тему графеновых аккумуляторов

https://youtube.com/watch?v=u-ZrP8z2jJI

В природе углерод имеет две формы – графит и алмаз. Одна из них используется в карандашах, другая – является наиболее прочным материалом на планете. В 2004 году группа российских ученых обнаружила третью форму – графен.

Вещество представляет собой пленкообразную структуру из углеродных атомов. В природе данная двумерная пленка не встречается, единственный способ получения – изготовление под давлением и температурой. Фактически вещество представляет собой плоскость графита, которую отделяют от единой структуры. Между собой атомы углерода соединены в шестигранную кристаллическую решетку. За счет высокой плотности связей вещество обладает высокой степенью жесткости и огромным запасом теплопроводности. За счет повышенной подвижности электронов в веществе материал перспективен для использования в полупроводниковых схемах, батареях и нанотехнологиях. Графеновые аккумуляторы отличаются рекордной емкостью при незначительной массе.

Альтернативные разработки

Графеновые суперконденсаторы являются одним из альтернативных направлений при разработке источников питания на основе графена. Благодаря новейшим технологиям удалось получить конденсатор повышенной емкости с высокой энергетической плотностью. Причем с увеличением рабочей температуры полезные свойства только улучшаются.

Конденсатор такого типа способен восстанавливать заряд за считанные минуты, зависти это от мощности источника энергии. Производство и исследования графена облегчило создания сверхтонких полупроводников и конденсаторов высокой емкости.

Важно! Толщина графена в полупроводнике может достигать размеров одного атома.

Открытие накопителей с углеродными электродами позволит ускорить широкое использование электротранспорта и миниатюрных электронных устройств.

Развитие производства графеновых батарей

В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2021 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.

Интересно знать! Испания является единственной страной, в которой графеновый аккумулятор производится серийно.

Американские и европейские разработчики находятся на стадии научно-исследовательской работы. Однако ученые из Австрии значительно продвинулись вперед. У них получилось разместить монопленку графена в оболочку из гелия, в результате чего стало возможным сохранить пластины на стабильном расстоянии друг от друга. В результате было предотвращено возможное слипание.

Российские разработки направлены на создание магний графенового аккумулятора повышенной емкости с малыми размерами. О массовом производстве пока информации нет.

Графеновый аккумулятор в настоящее время можно считать новым поколением источников питания. В ближайшем будущем станет возможным заменить автомобильную технику с двигателем внутреннего сгорания на экологически чистый транспорт с питанием от графеновых батарей.

Вам также может быть интересно

.

Аккумуляторы 0

Графен и аккумуляторы

Первой областью, где было принято решение использовать графен – это производство автомобильных аккумуляторов.

В первых опытах графен соединяли с литием, но как показала практика это оказалось неправильным решением. А все потому, что литий это крайне агрессивное вещество и при контакте с водой литий взрывается.

Поэтому такие модификации аккумуляторов отказались устанавливать на электромобили, ведь в случае ДТП и повреждения аккумуляторной батареи была очень высокая вероятность возгорания.

Так же для производства таких батарей нужно было большое количество лития – а это дорогой металл.

Поэтому было принято решение искать альтернативу литию и нашлось сразу два варианта:

1. Американская модель. Согласно которой источником реакции выступает уже кобальт литий и составной катод из пластин кремния и графена.
2. Российская модель. Где используется магний-графеновая модификация, где анод из литиевой соли успешно заменили на оксид магния (гораздо более распространенное и дешевое вещество).

Но несмотря на различные подходы преимущества и недостатки у графеновых аккумуляторов идентичные.

Плюсы и минусы графеновых аккумуляторов

Если мы с вами сравним классические литий-ионные аккумуляторы с графеновыми, по последние наделены следующими преимуществами:

• Графен производится из легкодоступного и дешевого сырья.

• Производимый материал очень легкий, так один квадратный метр графена весит всего лишь 1 грамм, а это позволяет в значительной степени снижать массу аккумулятора.

• Экологи могут спать спокойно, так как графен экологически чист.

• Графен обладает повышенными показателями прочности и водонепроницательнсоти.

• Поврежденные участки поверхности легко восстанавливаются.

• Проводимость графена существенно выше чем у любого другого проводника (конечно на данный момент).

• Повышенная удельная емкость. Например, автомобиль у которого установлена графеновая батарея способен проехать на одном заряде до 1 тыс. километров.

• Емкость графеновых аккумуляторов не снижается по причине частых циклов разряд-заряд.

• Время полной зарядки составляет всего 8 минут.

Как видите плюсов просто вагон и маленькая тележка, но есть и свои минусы, а именно:

• У графена довольно низкая плотность, поэтому пока есть существенные ограничения в использовании. Например, сотовый телефон с графеновой батареей будет габаритным.