Графеновый аккумулятор — особенности эксплуатации

Графеновые аккумуляторы кардинально изменят нашу жизнь. С их использованием станет возможной по-настоящему быстрая зарядка как мобильных устройств, так и электромобилей. Инженеры предполагают увеличение удельной ёмкости батареи в несколько раз.

Ко всему прочему графен – экологически чистый материал. Вред окружающей природе будет сведён к минимуму. Однако до сих пор производство таких аккумуляторов в промышленных масштабах не началось. Мы по-прежнему пользуемся литий-ионными аккумуляторами. Что мешает человечеству перейти на новые АКБ?

Что такое графен и как из него делают аккумулятор

Графен – новый материал. Был получен впервые в 2004 году. Право открытия принадлежит британским учёным Манчестерского университета, выходцам из России – А. Гейму и К. Новосёлову. Им впервые удалось в ходе эксперимента получить двумерный кристалл, который состоит только из одного слоя атомов углерода.

Графен представляет собой всего один слой графита, который отделили от кристалла.

Строение кристалла графита

Благодаря такой структуре графен обладает уникальными свойствами:

• высокая механическая прочность
• теплопроводность
• гидрофобность
• электропроводность.

Это невероятно тонкий и одновременно один из самых прочных материалов, известных человечеству.

Он устойчив к разным воздействиям и экологически безопасен. Такие свойства открывают большие перспективы его применения для создания электронных устройств, в том числе аккумуляторных батарей.

Применение нового материала позволяет создать безопасный графеновый аккумулятор, обладающий длительным сроком эксплуатации, быстрым зарядом, лучшей теплопроводностью, меньшим весом и большей ёмкостью.

Принцип работы и устройство

Сначала рассмотрим устройство литиевой аккумуляторной батареи.

В батареях этого типа накопление электрического заряда происходит за счёт проникновения ионов лития в графитовый анод. Именно графит позволяет обеспечить их надёжное удержание, что снижает саморазряд батареи.

Теперь рассмотрим строение графеновой АКБ.

По своей конструкции она похожа на литиевую АКБ. Однако просто заменив графит на графен в аноде, мы лишим ионы лития возможности проникать внутрь.

Это означает, что они будут накапливаться только на поверхности, что приведёт к значительному саморазряду такого аккумулятора. Поэтому применение графена для изготовления анода или катода аккумуляторов – не оптимальное решение.

Структура графена не позволяет эффективно удерживать ионы лития.

Разумеется, учёные ищут пути решения этой проблемы.

Чем лучше популярных литиевых

В теории использование графена позволит увеличить скорость заряда аккумулятора за счёт того, что материал обладает низким электрическим сопротивлением и хорошо проводит тепло.

Совместное воздействие этих факторов сокращает срок службы батареи и даже приводит к её разрушению.

В теории использование графена позволит создать графеновые батареи, имеющие малый вес и высокую удельную ёмкость. Хорошая электропроводность и теплопроводность позволят получить гораздо лучшие характеристики, чем у литиевых батарей. Такие аккумуляторы будут иметь длительный срок службы и приносить меньший вред окружающей среде.

Несмотря на то что сырьё для их изготовления – углерод, который, как мы отлично знаем, – распространённый элемент, получение нового материала в промышленных масштабах пока не освоено.

Чистый графен, пригодный для производства электронных приборов, сейчас стоит баснословных денег! К сожалению, пока учёные не смогли открыть дешёвый способ его получения в больших количествах.

Применение графена в существующих типах аккумулятора

Стремясь снизить стоимость и саморазряд, производители идут на уловки. То есть в аккумуляторах, которые они гордо называют «графеновые батареи», на самом деле не применяется чистый графен, а лишь в виде добавок.

Именно использование добавок, причём только 5-10%, улучшает характеристики выпускаемых литиевых аккумуляторов. Такие АКБ получили название гибридных и уже долго применяются в смартфонах ведущих производителей.

Один из таких примеров – АКБ для смартфона Honor Magic.

В начале 2020 года компания Real Graphene запустила производство повербанка на 10000 мА ч с гибридной графеновой АКБ. По словам производителя, такая АКБ меньше греется, поэтому время полного заряда составляет примерно 55 минут. Она выдерживает до 1500 циклов заряда-разряда.

Сфера применения — стоит ли ждать в смартфонах и электромобилях

Суммируя всё написанное выше, ожидать скорого появления графеновых аккумуляторов для электромобилей и смартфонов в ближайшее время не стоит. Скорее всего, настоящая графеновая батарея нескоро увидит свет.

Технология только разрабатывается, и её дальнейшее развитие пойдёт по пути дополнения уже привычных нам технологий производства литиевых аккумуляторов. Продвигаясь в этом направлении, можно раскрыть весь их потенциал.

Несмотря на то что технология уже отработана и запущена в производство, предельное значение энергоёмкости литиевых АКБ не достигнуто.

Если сравним эти значения с данными на начало появления АКБ данного типа, то увидим, что энергоёмкость возросла в два раза. Подтверждением этому служит и решение крупнейшего производителя электромобилей в мире – компании Тесла – разрабатывать АКБ литиевого типа.

Проблемы и перспективы

Повсеместному внедрению графеновых аккумуляторов препятствует сложность производства графена (как следствие – высокая стоимость АКБ) и сами производители литиевых АКБ. Они вложили большие деньги в эту технологию, а значит, напрямую заинтересованы в её окупаемости и получении прибыли. При этом технологии производства графеновых АКБ пока разрабатываются и далеки от совершенства. Они требуют значительных денежных затрат.

Даже если предположить, что дешёвый и эффективный графеновый аккумулятор был бы уже создан, для запуска промышленной линии потребовались бы значительные финансовые затраты. Они не смогут окупить себя в ближайшем времени, и производитель неминуемо понесёт убытки.

Хорошие результаты показывает применение нанокомпозитных материалов. Экспериментируя с составами из разных оксидов металлов и с графеном, исследователи добиваются увеличения срока службы батарей даже при значительном токе. Это обуславливается высокой электропроводностью графена и способностью хорошо проводить тепло. К сожалению, снизить влияние невысоких температур на работу АКБ разработчикам пока не удаётся.

Однако прогресс нельзя остановить, и в конечном итоге тот производитель, который сумеет наладить выпуск графеновых АКБ, завоюет большую часть рынка.

Даже человек, слабо связанный с техникой, знает, что любая автономная система, в работе которой задействовано электричество, не может обойтись без независимых источников электроэнергии. Будь это средства мобильной связи или транспортные средства — все они должны быть оснащены батареями или аккумуляторами, недостаток которых — небольшая ёмкость и короткий срок эксплуатации. С появлением графеновых батарей этот недостаток будет устранён.

Структура графена

Графен является разновидностью графита — вещества, состоящего из атомов углерода. Кристалл графита состоит из слоёв, которые напоминают сложенные стопкой листы бумаги. Атомное взаимодействие между слоями слабее, чем в их середине, поэтому графит так хорошо подходит в качестве стержня для карандашей.

Это свойство и позволило расщепить его на отдельные слои и получить новое вещество под названием «графен», обладающее теми же свойствами, что и графит, но в несколько раз усиленными.

Такой результат является прорывом для развития электроники, а также производства батарей и аккумуляторов, ведь природный графит обладает великолепной тепло- и электропроводностью. Это позволит заменить графеном дорогостоящие материалы, использующиеся сейчас в производстве, ведь графит имеется в природе в изобилии.

Графен имеет предельно простую кристаллическую структуру, уменьшающую сопротивление потоку электронов, поэтому может накапливать заряд намного быстрее, чем объёмные кристаллы. И заряд этот намного мощнее.

Эти свойства позволят создавать из него батареи и аккумуляторы, имеющие намного лучшие технические характеристики, чем у используемых сейчас.

Устройство батарей и аккумуляторов

Принцип действия и устройство графеновых аккумуляторов те же, что и обычных аккумуляторных батарей, установленных на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Отличие в электрохимических процессах, происходящих внутри устройства. Больше всего они сходны с реакцией, идущей в литий-полимерной аккумуляторной батарее.

Сейчас существуют два конкурирующих технологических направления по производству графеновых аккумуляторов. Разработаны они в США и России.

В обоих случаях происходит увеличение скорости прохождения ионов между электродами и ёмкости аккумуляторов, потому что графен имеет высокую электропроницаемость и склонность к накапливанию электрического заряда.

Отличаются лишь оценки возможной ёмкости. Американские специалисты считают, что она увеличится по сравнению с литий-ионными аккумуляторами в десять раз, а русские — до двух с половиной раз.

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.

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.

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.

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

Особенности графеновых аккумуляторов

За открытие графена ученые были удостоены Нобелевской премией, так как полученный материал является уникальным, и помимо тонкости (толщина листа – 1 атом).

Метод получения графена.

Технологии на основе графена заинтересовали производителей, и они готовы выделять серьезные средства для углубленного изучения. Этот материал применяется в разных отраслях:

• высокие технологии
• медицина
• экология
• космические и военные отрасли
• автомобилестроение.

«Новый углерод» серьезно заинтересовал производителей автомобилей. Источники питания на его основе более всего подходят для электромобиля. За счет повышенной активности заряженных частиц получилось увеличить полезную емкость АКБ. Материал, компонованный в плоский проводник, способен за короткий срок накопить большой заряд.

При этом на начальных этапах разработки в листы графена добавляли литий, только он плохо реагировал на воду и прочие окислители, и в промышленных целях пришлось искать что-то другое. Литий-графеновые аккумуляторы характерны долгой зарядкой, поэтому в сфере автомобилестроения они не прижились. И со временем появился магний-графеновый источник питания.

Сегодня аккумулятор из графена – условное понятие, так как производителей таких устройств пока мало, и они не торопятся сообщать об особенностях технологического процесса.

«Пионер» производства графеновых АКБ – фирма из Испании Graphenano, которая анонсировала первый образец еще в 2015 году. Заряжается он всего за 8 минут, а энергоемкость в 10 раз выше, чем у литий-ионных аналогов. В открытии предприятия, мощностей которого хватает для выпуска 80 млн ячеек в год, приняли участие инженеры компании Grabat Energy.

Новый тип источников питания делается из специального металлополимерного корпуса. В него вставлены пара пластин из меди и алюминия, оснащенные выводами – электрическими контактами. Между электродами расположен электролит, который может быть в жидком или твердом состоянии. В аноде содержится восстановитель, в катоде – окислитель.

Чтобы отрицательно заряженные атомы лития не могли свободно перемещаться между электродами, в корпусе предусмотрен разделитель – сепаратор. Вообще, графеновые аккумуляторы в плане устройства аналогичны литий-полимерным батареям, только в первых электролит и сепаратор – графен.

Принцип работы аналогичен литий-ионным АКБ: при зарядке и разрядке ионы лития двигаются от анода к катоду через электролит. Электроны в это время достигают анода или катода по внешней цепи, что необходимо для создания в ней электрического тока.

Где купить АКБ

Такие источники питания еще недостаточно изучены, поэтому власти многих стран не торопятся давать им «зеленый свет». Впрочем, американская фирма Real Graphene уже продает батареи на основе этой технологии. Устройства, прежде чем потерять в емкости, выдерживают до 1500 циклов зарядки-разрядки, а также более устойчивы к нагреву.

Пауэрбанки Real Graphene, емкостью 3000 мАч, могут заряжаться за 20 минут, если использовать ЗУ мощностью 60 Вт. Цена модели на 10000 мАч, выходная мощность которой составляет 50 Вт – 60 долларов. Версия на 20000 мАч, с ЗУ 87 Вт, способная одновременно запитывать три устройства, обойдется в 77 долларов.

То есть времена, когда можно будет купить графеновый аккумулятор для смартфона – не за горами.