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.
Благодаря такой структуре графен обладает уникальными свойствами: высокая механическая прочность и теплопроводность, гидрофобность и 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.
Разумеется, учёные ищут пути решения этой проблемы. Разработано два варианта аккумуляторов на основе графена:
- Американский вариант. В качестве материала для анода применяется кобальтат лития, а катод собирают из графеновых и кремниевых пластин.
- Российский вариант. Магний-графеновые аккумуляторы. В качестве материала анода применяется оксид магния. Он более доступен и менее токсичен. Конструкция катода аналогична первому варианту.
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.
Это очень важно, так как при нагреве литиевой батареи возрастает электрическое сопротивление, а значит, нагрев ещё увеличится. В свою очередь, он повышает сопротивление…
Совместное воздействие этих факторов сокращает срок службы батареи и даже приводит к её разрушению. Достаточно вспомнить неудачный пример одной известной южнокорейской фирмы, произошедший недавно.
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.
Сейчас читают:
