Графеновые аккумуляторы и батареи: история изобретения, перспективы применения и изготовления своими руками

Обновлено: 15.05.2024

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.

История открытия

Поиски новых материалов для аккумуляции электрической энергии учёные вели давно. Применяемые до сих пор составляющие батарей и аккумуляторов уже не отвечали современным требованиям к электротехнике. Особенно это относилось к батареям и аккумуляторам, чьи невысокие технические характеристики тормозили развитие новых экономичных и экологически чистых транспортных средств.

Исследования увенчались успехом в 2004 году, когда двое британских учёных, выходцев из России, Константин Новосёлов и Андрей Гейм, получили в лаборатории новый материал с нужными свойствами на основе углерода — графен. За создание углеродной плёнки толщиной в один атом на подложке из оксида кремния с высокими аккумулирующими характеристиками учёные получили в 2010 году Нобелевскую премию.

Эта разработка считается самой перспективной в области технологий аккумулирования электроэнергии, хотя технически ещё и не получила массового применения.

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 американской модели источники химической реакции состоят из кобальтата лития, а также катода из перемежающихся кремниевых и графеновых пластин;
во втором — российском — варианте был создан магний-графеновый аккумулятор, в котором используемая как анод литиевая соль была заменена оксидом магния, который дешевле и менее токсичен.

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.

Преимущества и проблемы

Аккумуляторам с используемым в них плоским кристаллом графита сулят большие перспективы. Они отличаются:

меньшим весом;
высокой проводимостью;
большой прочностью и водонепроницаемостью;
экологической чистотой;
повышенной удельной ёмкостью;
возможностью регулировки своих качеств благодаря комбинированию с другими материалами;
лёгкой устранимостью повреждений;
невысокой ценой на сырьё.

Главная проблема графеновых аккумуляторов на сегодняшний день — их размер. Они получаются слишком большими для установки в мобильные устройства. Пока эта проблема не решена.

В отличие от гаджетов, в автомобилестроении графен имеет прекрасные перспективы уже сейчас. Установка аккумуляторов из графена на электромобиль увеличивает его пробег между двумя зарядками в три раза, до 1000 км. Зарядка длится самое большее 10 минут. Оснащение для этого АЗС заправочными станциями проблемой не является.

Другие разработки

Работы по усовершенствованию графеновых аккумуляторов кроме России и США активно ведутся и в других странах.

Учёным Австралии удалось открыть способ удержания графеновых пластин в стабильном состоянии. Ведь их неустойчивость, стремление вернуться в трёхмерное состояние, свойственное обычному графиту, была одной из основных проблем этого материала. Чтобы предотвращать это, учёные поместили пластины графена в водяной гель, что предотвращает их слипание. Кроме того, аккумулятор такой конструкции можно будет заряжать за считанные секунды. Стоимость геля невысока, ведь он состоит всего лишь из воды и углерода.

Практически каждый год в мире появляются новые технологии, которые позволяют более рационально использовать истощающиеся естественные ресурсы. К ним относится и изобретение графена, который в недалёком будущем, возможно, вызовет революционные изменения в транспортной системе благодаря своим уникальным свойствам в большом объёме аккумулировать и сохранять электрическую энергию. Вполне вероятно, каждый желающий сможет с помощью 3 D -принтера сделать графеновый аккумулятор своими руками.

Блоки питания

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:

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.
Положительно заряженные ионы лития также направляются к катоду, но уже через сепаратор, который свободно пропускает положительно заряженные частицы.
После перемещения всех электронов к катоду наступает фаза разряда аккумулятора.
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.

Развитие электротранспорта подтолкнуло исследователей новых технологий к созданию альтернативных источников питания. Одним из таких видов стал аккумулятор с графеновыми электродами. Рассмотрим, что это такое, принцип работы и устройство.

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.

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.

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

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.
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.

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.

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 2017 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.

В современном мире существует большое число различных источников питания для разнообразной техники и электроники.

Для продления срока службы автомобильных аккумуляторных батарей необходимо проводить их регулярное обслуживание. Основными критериями,

В большинстве портативной техники используются литий-ионные аккумуляторы. Их можно встретить в ноутбуках, телефонах, плеерах,

Автомобилисты все больше склоняются к использованию необслуживаемых АКБ. По заверению производителей подобные батареи не

Читайте также: