Графеновый аккумулятор — новейшая технология

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.

Что такое Графен и аккумуляторы из графена

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.

Структура графена

Графен является разновидностью графита — вещества, состоящего из атомов углерода. Кристалл графита состоит из слоёв, которые напоминают сложенные стопкой листы бумаги.

1. Атомное взаимодействие между слоями слабее, чем в их середине, поэтому графит так хорошо подходит в качестве стержня для карандашей.
2. 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.
3. 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.

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.

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.

Технология графеновых АКБ

Стремительное развитие электромобилей заставило ученых и инженеров заняться разработкой и созданием новейших АКБ. Последним достижением является графеновый аккумулятор, превосходящий своими характеристиками литиевые батареи.

Что это за новый материал графен

Кристалл углеводорода, атомы которого располагаются в единой плоскости, получил название «графен». Толщина такого тонкого листа углерода, не имеющего цвета, не превышает один атом. Этот материал отличается повышенной прочностью и высокой энергоемкостью.

Российский ученый А.Гейм, совместно с К. Новоселовым, смогли искусственным путем получить графен на подложке оксида кремния. Этот материал представляет собой углеродную пленку, толщина которой в 1000 000 раз тоньше, чем обыкновенный лист бумаги.

Сегодня во многих странах, исследователи, занимаются созданием технологического процесса по изготовлению этого передового материала. Начало его изготовления станет первым революционным шагом в современной электронике. Появится возможность на его основе создать новые типы устройств:

• Полупроводниковые приборы.
• Мониторы.
• Графеновые аккумуляторы.

Как устроен графитовый аккумулятор

Принцип работы графеновых аккумуляторов ничем не отличается от классических свинцовых аккумуляторов. В них также протекают электрохимические процессы. Конечно, реакция, проходящая внутри батареи, отличается от процесса, в основе которого лежит кислотный электролит.

Устройство такого аккумулятора напоминает литиевые полимерные аккумуляторы. Сегодня для изготовления графен полимерных аккумуляторов, разработан ряд технологических процессов.

В одном в качестве катода используются чередующиеся пластины графена, совместно с кремнием. Роль анода играет кобальтат лития. Другая технология основана на замене кобальтата лития на дешевый оксид магния.

Стоимость графенового АКБ с магнием намного дешевле, чем аналогичная стоимость аккумулятора с литием. Создать такой аккумулятор своими руками невозможно. Слишком сложная технология изготовления, не рассчитанная на бытовые условия.

К преимуществам таких АКБ относятся:

• Малый вес.
• Компактные размеры.
• Высокая проводимость.
• Длительный срок эксплуатации.
• Повышенная износостойкость.
• Отвечает требованиям экологии.
• Емкость — 1кВт/ч.
• Возможность настройки нужных параметров.
• Невысокая стоимость графена.
• Трехмерные кристаллы углерода постоянно встречаются в природе.

К сожалению, кроме большого числа положительных качеств, этот материал отличается рядом серьезных недостатков. Исследования показали, что графеновые батареи обладают плотностью, которая не годится для аккумуляторов мобильных гаджетов.

Изделие получается слишком большим. Сегодня ученые пытаются создать прибор с меньшими размерами, но пока еще не удалось получить рабочий образец.

Магний графеновый аккумулятор заинтересовал передовые компании, выпускающие автомобили. Установленный на электромобиль, аппарат увеличил пробег машины до 1000 км. Причем для зарядки такой батареи потребуется около 10 минут. На АЗС нужно будет установить специальные зарядные станции.

Современные электромобили отличаются от легковых машин небольшим пробегом. Заряда батареи хватает на небольшой пробег. Графеновые батареи легко решают эту проблему, пробег увеличивается до 1000 км. Такие аккумуляторы сделают электромобили более популярными и востребованными.

Для изготовления графеновых батарей используется литий. В природе литий встречается не слишком часто, его запасы не способны удовлетворить мировое автомобилестроение. Сегодня инженеры разрабатывают приборы, в которых магний встанет на замену лития.

Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов

Если говорить о промышленных масштабах, то разработкой этого материала занимается испанская фирма Graphenano. Ее инженерам удалось создать графеновую батарею, стоимость которой на 70% ниже, чем у других производителей.

Тестирования нового аккумулятора показало увеличение пробега электромобиля до 1000 км. Его полная зарядка происходит в течение 7 минут. Вес такой батареи намного меньше массы литий-ионного аналога, имеющего похожие характеристики.

В 2015 году фирма Graphenano создала в Испании большое предприятие, занимающееся производством графеновых аккумуляторов.

В открытии участвовали инженеры фирмы Grabat Energy, а также ученые Кордовского университета. Мощности завода позволяют выпускать 80 миллионов ячеек в год.

Выпуск новых графен-полимерных аккумуляторов ожидался в начале 2017 года. Однако, изделия выпущенного на этом предприятии, пока еще никто не видел.

Руководство Graphenano утверждает, что новые графеновые батареи для электромобилей, будут пожаробезопасными, полностью защищенными от возникновения короткого замыкания. Специальный полимерный материал, который необходим для создания прибора, разработали немецкие ученые из института TUV, совместно с учеными из испанского университета Декра.

Немецкие концерны уже начали сегодня тестировать на собственных автомобилях продукцию Graphenano.

США также занимались созданием таких изделий. Основная работа касалась увеличения емкости батареи, достижения быстрой зарядки. Принцип действия таких АКБ аналогичен литиевым изделиям. Емкость батареи зависимости от числа ионов, находящихся в кристаллической решетке анода (катода).

Активность движения таких ионов оказывает серьезное влияние на быстроту зарядки. Для достижения большей ёмкости, ученые установили между слоями графена специальные кремниевые кластеры. Чтобы скорость заряда стала намного быстрее, в пластинах материала были сделаны отверстия, величиной 15–20 нанометров. Они способствовали ускорению движения ионов лития

Ученые австралийского университета Monash, при разработке графеновой батареи, стремились достичь стабильного состояния аккумулятора. Дело в том, что это материал постоянно стремится превратиться в обыкновенный графит.

Если это происходит, уникальные характеристики полностью исчезают. Австралийским учёным удалось решить эту проблему. Они превратили графеновые пластины в водянистый гель.

По их мнению, если аккумулятор будет состоять из такого геля, батарея будет заряжаться в течение нескольких секунд.

Ученые университета Monash, решили поместить этот материал в гелиевый раствор. В результате, пластины перестали слипаться, стало поддерживаться стабильное состояние вещества. Такие изменения позволили использовать материал и для создания других конструкций. Для получения гелия применялось два компонента:

Производство гелиевого раствора не требует больших финансовых затрат. Аккумулятор на таком растворе отличается сильным электрическим зарядом, который на порядок превосходит аналогичные показатели литий-ионных АКБ.

1. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, однако серийных образцов до сих пор нет.
2. В России разработка графеновых аккумуляторов связана с использованием магния, который должен заменить литий.
3. Российские ученые считают приоритетным направлением применение графеновых изделий в автомобилестроении, ветряной или солнечной энергетике.
4. Разработкой новейших аккумуляторов для электромобилей в России, занимается компания «Конгран».

Инженеры пытаются создать прибор, мощность которого будет намного превышать все имеющиеся, современные аналоги. Причем стоимость таких устройств будет гораздо дешевле.

Российские ученые предложили устанавливать катод, сделанный из гипероксидированного графена. Анод должен состоять полностью из чистого магния. Все аккумуляторы работают по одному принципу. В них происходит реакция окисления вещества и его дальнейшее восстановление.

Для проведения такой реакции полностью подходит магний. Он стоит намного меньше лития. Это вещество не имеет недостатков, характерных для лития.

К примеру, на воздухе литий начинает мощную реакцию с водой, он очень сложен для утилизации. Магниевый анод придает такой батареи большую энергетическую емкость.

Технологический процесс добычи магния аналогичен получению алюминия. Довольно часто магний находят в глине.

Перспективы графена

Массовая эксплуатация изделий из такого материала приведет к созданию новых отраслей промышленности, откроет огромные перспективы для научных разработок. Такие изделия можно будет использовать на производстве, а также для хозяйственных целей. Крупное производство такого энергоносителя, позволит создать:

• Производственные линии, изготавливающие этот новый материал.
• Новые электромобили.
• Специальные электрозаправки.
• Открытие электростанций.
• Компактные ЭВМ.
• Улучшить экологическую составляющую автотранспорта.

Заключение

Сегодня можно смело утверждать, что за графеновыми аккумуляторами стоит большое будущее. Это наиболее перспективное направление, которым занимаются крупные мировые державы. Очень скоро мир увидит серийные образцы таких АКБ. Характеристики этих новейших систем позволят электромобилям серьезно потеснить автомобили, оборудованные ДВС.

В мегаполисах улучшится экология, воздух станет чище, исчезнут вредные выхлопы, уменьшится использование углеводородов. Автомобилестроение получит новый толчок, ведь придется поменять всю технологию изготовления автотранспорта, станут намного эффективнее солнечные электростанции.

В ближайшем будущем, ученые смогут создать устройства, основой которого будет графен. Эти системы будут отличаться маленькими габаритами, огромным запасом энергии, для установки в гаджеты и мобильные телефоны.

Что такое графеновый аккумулятор и его перспективы

Развитие транспорта на электрической тяге, всевозможных портативных устройств и прочей техники, работающей на аккумуляторах, требует от научного сообщества новых разработок в этом направлении. Графеновый аккумулятор стал одной из таких разработок несколько лет назад.

Эта новинка стала обсуждаемой, поскольку по основным характеристикам графеновая аккумуляторная батарея превосходила литиевые в несколько раз. Однако широкого практического применения пока ещё незаметно.

В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой графеновый аккумулятор и как обстоят дела с развитием этой технологии.

Что за материал графен?

Графен представляет собой углеводородный кристалл, имеющий все атомы в форме шестиугольников, расположенных в одной плоскости. Выглядит он как бесцветный, тонкий лист углерода толщиной в один атом. Этот материал обладает высокой прочностью и энергоёмкостью.

Графен был получен искусственным путём в 2010 году российскими учёными Андреем Гейм и Константином Новоселовым. Они сменили гражданство или проживают в Великобритании.

В процессе своих исследовательских работ в Манчестерском университете им удалось получить графен на подложке оксида кремния. Это плёнка углерода в миллион раз тоньше, чем обычный лист бумаги.

Учёным удалось представить данные по измерению электрической проводимости графена, эффекта Холла и Шубникова-де Гааза. В 2010 году Гейм и Новоселов получили за исследование графена Нобелевскую премию.

Несмотря на искусственное происхождение графена, специалисты не исключают, что он встречается и в естественных условиях. После получения графена лабораторных условиях он стал одним из революционных материалов XXI века. Толщина слоя графена составляет 91 пикометр. Один пикометр равен 10-12 метра.

При такой толщине плёнка выдерживает нагрузку в четыре килограмма. В настоящее время исследователи многих стран пытаются разработать оптимальную технологию производства графена. Если им удастся это сделать, то графен совершить настоящую революцию в электронике.

Этот материал можно будет использовать при создании полупроводниковых приборов, мониторов, а также аккумуляторов.

Что касается аккумуляторов, то графен и здесь имеет большие перспективы. Плоский кристалл может накапливать значительно больший заряд, и делает это практически мгновенно.

Если это будет стандартный аккумулятор для легкового автомобиля ёмкостью 55 Ампер час, то его заряд будет продолжаться несколько секунд.

Поэтому графеновые аккумуляторы могут существенно ускорить распространение в мире автомобилей на электрической тяге.

Устройство графенового аккумулятора

Как и обычные свинцово-кислотные автомобильные АКБ, графеновые аккумуляторы работают на базе электрохимических процессов.

Естественно, что в основе здесь лежит другая реакция, нежели в кислотном электролите. По устройству графеновые аккумуляторы больше всего похожи на литий─полимерные аккумуляторные батареи.

На сегодняшний день появились две разных технологии получения графеновых аккумуляторов.

В первом случае предлагается использовать в качестве катода чередующиеся пластины графена и кремния, а в качестве анода LiCoO2 (кобальтат лития). Во втором случае LiCoO2 предлагается заменить на оксид магния, который дешевле. На схеме ниже можно посмотреть схематическое отображение работы графенового аккумулятора.

Среди преимуществ графенового аккумулятора можно отметить следующие:

• Графеновые аккумуляторы имеют значительно меньший вес, чем свинцово-кислотные или батареи иного типа. Масса одного квадратного метра графена составляет 0,77 грамма;
• Высокая проводимость, которая во много раз превышает современные полупроводниковые материалы;
• Имеют высокую прочность и водонепроницаемость;
• Не загрязняют окружающую среду;
• Высокая удельная ёмкость. У графеновых аккумуляторов она может достигать 1000 Вт/ч на 1 килограмм;
• Их свойства можно регулировать благодаря сочетанию графена с другими материалами;
• Довольно легко устранить повреждения;
• Исходное сырьё для графеновых аккумуляторов стоит недорого, поскольку графен распространён в природе.

Есть и ряд проблем. Как говорят некоторые исследователи, плотность графеновых аккумуляторов в настоящее время не позволяет использовать их в мобильных гаджетах. Они получаются слишком большими для этого. Ведутся работы над уменьшением их размера, но серийного рабочего образца пока ещё не существует.

А вот в сфере автомобилестроения графеновые аккумуляторы имеют хорошие перспективы уже сейчас.

Исследования показали, что использование графеновой аккумуляторной батареи на электромобиле Tesla Model S может увеличить пробег с 300─400 до тысячи километров.

При этом на зарядку графенового автомобильного аккумулятора потребуется 5─10 минут. Для этого нужно будет оснастить АЗС мощными зарядными станциями, но это вполне решаемая проблема.

Поскольку потенциальных покупателей современных электромобилей часто отпугивает малый пробег и длительное время заряда, графеновые аккумуляторы в этой сфере будут очень востребованы. Они вполне могут решить эти проблемы и поднять популярность электромобилей.

Здесь есть другая проблема, которая заключается в использовании лития в графеновых АКБ. Он бурно реагирует с водой и в природе его недостаточно для нужд мирового автомобилестроения. Поэтому специалисты стали вести разработки батарей, где вместо лития используется магний.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

Теперь посмотрим, как обстоят дела с разработкой графеновых аккумуляторов в России и других странах.

Исследования показали, что этот графеновый аккумулятор позволяет электромобилю проезжать до тысячи километров, и полностью заряжается за 7─10 минут. При этом новый аккумулятор весит в 2 раза меньше литий─ионной батареи с аналогичными характеристиками.

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla).

Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек.

Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

По заявлению руководства Graphenano, новые графеновые автомобильные аккумуляторы будут пожаробезопасными и защищёнными от короткого замыкания. Полимерный материал, используемый для их производства, был разработан немецким институтом TUV и испанским Декра. В настоящее время некоторые автомобильные концерны Германии уже тестируют продукцию Graphenano на своих моделях.

В США графитовыми аккумуляторами занимались исследователи из Северо-западного Университета под руководством профессора Гарольда Кунга (англ. Harold Kung).

Они вели основные работы в направлении увеличения ёмкости графеновых аккумуляторных батарей и скорости их зарядки.

Поскольку принцип работы этих АКБ похож на литий─полимерные, их ёмкость существенно зависит от числа ионов, помещающихся в кристаллическую решётку катода или анода. А скорость зарядки сильно зависит от активности передвижения этих ионов.

Чтобы увеличить ёмкость графеновых аккумуляторов, исследователи разместили кремниевые кластеры между слоями графена. А скорость заряда они увеличили благодаря формированию отверстий (размер от 10 до 20 нанометров) в пластинах графена. Эти отверстия значительно ускорили передвижение ионов лития.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций.

В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы.

Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

В России их преобладающим направлением при разработке графеновых аккумуляторов стало использование графена и магния (вместо лития).

В качестве приоритетных направлений своей деятельности российские исследователи называют использование графеновых аккумуляторных батарей в автомобилестроении, а также альтернативной энергетике (ветряной и солнечной).

Одной из компаний, которые занимаются разработкой графеновых АКБ, является «Конгран». Там рассчитывают создать аккумуляторы, превышающие современные батареи по мощности на порядок. При этом их стоимость будет дешевле нынешних.

Российские специалисты предлагают использовать в качестве материала катода гипероксидированный графен, а в качестве анода ─ магний.

Принцип действия аккумулятора основан на химических процессах окисления и восстановления, характерные для всех типов аккумуляторных батарей. Магний был выбран не случайно. Его стоимость ниже лития примерно в 20 раз.

Кроме того, у магния нет некоторых минусов лития. В частности, литий очень активен и бурно реагирует с водой на открытом воздухе, а также его тяжело утилизировать.

Кроме того, графеновый аккумулятор с магниевым анодом имеет большую энергетическую ёмкость. Технология добычи магния похожа на получение алюминия. Этот металл также содержится в глинах.

Естественно, что магний имеет и свои минусы по сравнению слитием графеновых аккумуляторов. Одной из наиболее серьёзных проблем является подбор электролита, в котором будут передвигаться ионы между анодом и катодом. Закончены ли сейчас эти работы, пока неизвестно.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ.

Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов.

Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях.

Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье, а также ваши отзывы о графеновых аккумуляторах, оставляйте в комментариях.

Перспективные разработки

Известно, что графит и алмаз это две формы углерода. Примерно в 2010-м году была обнаружена ежё одна форма углерода, которая получила имя графен. Графен это плёнка из атомов углерода, которая может быть получена искусственным путём. Но также нельзя исключать и его существование в естественных условиях.

Графен новый исходный материал для электроники и электротехники. На его основе будут созданы новые мониторы, полупроводниковые приборы, аккумуляторы, и скорее всего ещё какие-либо устройства.

Использование графеновых накопителей в автомобильной промышленности позволит оживить мировой авторынок и смежные с ним рынки, а так же на 20% увеличит в мире добычу нефти.

Графеновые аккумуляторы создают новы перспективы для бизнеса, поскольку:

• потребуется изготовить миллионы графеновых накопителей;
• потребуется утилизировать использованные аккумуляторы;
• будут изготовлены новые модели электромобилей;
• будут построены новые тепловые и атомные электростанции для обеспечения электроэнергией накопители электромобилей;
• будет добываться, и сжигаться ещё больше топлива в тепловых электростанциях ради зарядки аккумуляторов;
• потребуются построить и содержать новые линии электропередачи;
• ещё больше денег можно будет заработать на решении новых экологических проблем в связи с увеличением мощностей, генерирующих электроэнергию.

Первые аккумуляторы с использованием графена содержат так же магний и называются магний – графеновыми.

Существующие накопители с использованием лития малопригодны для автомобильной промышленности хотя бы потому, что литий взрывается от соприкосновения с водой на открытом воздухе. Поэтому авария электромобиля при разрушении литий – ионного аккумулятора чревата как минимум пожаром, который водой не потушить.

Кроме упомянутого запасы лития на Земле невелики, и его не хватит надолго для мировой автомобильной индустрии. Ещё одним негативным свойством накопителей с использованием лития является их время заряда, которое слишком велико для комфортного использования электромобилей.

Новый магний – графеновый аккумулятор успешно решает обе упомянутые проблемы.

Магния на Земле существенно больше чем лития. С водой магний реагирует не столь бурно как литий. А первые образцы магний – графеновых накопителей,

пригодные для работы в электромобилях, заряжались менее одной минуты.

Новый материал графен открывает новые горизонты на многих рынках. В общем, текущая ситуация с магний – графеновыми аккумуляторами очень оптимистична. Как изменится автомобильный рынок с началом промышленного использования графена, станет понятно в ближайшие годы. Работы над созданием промышленных магний – графеновых накопителей ведутся во многих странах.

Графен-полимерный аккумулятор

Приветствую всех неравнодушных!

Заинтересовался я вопросом о новых направлениях развития аккумуляторостроения для электроавтомобилей.

Ведь все мы ждем прорыва в этой области, хотим увеличения дистанции пробега авто от полностью заряженного аккумулятора, а также сокращения времени зарядки.

Поиски привели меня к теме графеновых аккумуляторов. Делюсь нарытой в инете информацией, датированной еще концом 2014-го, началом 2015г.

Компании Graphenano и Grabat Energy разработали инновационную аккумуляторную батарею. Время ее зарядки составляет всего 8 минут, а запас хода 1000 км! Кроме того, она на 77% дешевле других батарей для электромобилей.

Графен-полимерный аккумулятор имеет не только такие достоинства, как зарядка за 8 минут и автономная езда до 1000 км, но и весит в 2 раза меньше литий-ионных батарей. Также графен — очень прочный (в 200 раз прочнее стали) и эластичный материал, что позволяет использовать его в автомобильном производстве.

В наше время производство электромобилей набирает обороты, ведь этот вид транспорта не загрязняет окружающую среду и производит меньше шума, по сравнению с обычными автомобилями.

Конечно, электромобили имеют ряд недостатков: долгое время зарядки и малый запас хода.

С этими проблемами сможет справиться новый графеновый аккумулятор, который был создан компаниями Graphenano и Grabat Energy вместе с учеными из университета Кордобы.

Графеновые батареи увидят свет в первой половине 2015 года. (Что-то пока не заметно?! ))) Инновационные батареи от Graphenano уже взяли на тестирование две немецкие автомобильные компании.

И еще вот, статья отсюда:

Литий-серные батареи привлекают большой коммерческий интерес, поскольку значительно превосходят по теоретической энергоемкости широко используемые литий-ионные источники питания.

Устранить ряд свойственных им недостатков, таких как низкая эффективность и быстрое уменьшение емкости, может позволить новая конструкция катода, разработанная группой исследователей из Кембриджа и Пекинского технологического института. Они сообщили об этом в журнале APL Materials.

Ученые использовали металлорганическую основу как шаблон при создании проводящей пористой углеродной оболочки для серы. Каждая серно-углеродная наночастица действует как самостоятельный аккумулятор энергии, в котором протекает электрохимическая реакция.

«Наша углеродная основа действует как физический барьер для удерживания активного материала в своей пористой структуре, — объясняет Кай Си (Kai Xi), физик из Кембриджа. — Это ведет к улучшению циклической стабильности и к высокой эффективности».

Кроме того, было установлено, что дополнительное обертывание серно-углеродного элемента листом графена благодаря высокой электропроводности последнего ускоряет кинетику транспорта зарядов электронами и ионами.

В прикладном смысле полученные результаты открывают возможность получения высокопроизводительных систем электрохимической аккумуляции энергии не базирующихся на топотактических (с значительным изменением структуры, например, с разрывом связей) процессах.

Не знаю, насколько можно верить всему прочитанному выше, но очень хотелось бы, чтобы столь интересные и перспективные технологии поскорее были освоены автопроизводителями и вошли в нашу жизнь!

 

Сверхъемкие  аккумуляторы из графена

Испанские ученые создали полимерные графеновые аккумуляторы для электрокаров. С их помощью зарядка и эксплуатация автомобиля становится легче и выгоднее.

Над разработкой новинки работали научные сотрудники корпораций Graphenano и Grabat Energy в содружестве с представителями Университета Кордовы. По словам специалистов Graphenano, поточное производство батарей начато в 2015 году.

Срок службы полимерных аккумуляторов в четыре раза выше, чем у обычных накопителей. Благодаря небольшому весу графена повысится экономичность эксплуатации электрокаров. Да и стоимость батарей на 77 % дешевле, чем у литиевых аккумуляторов, — веский довод для покупки.

Преимущество новых накопителей энергии было подтверждено тестами нескольких немецких автоконцернов. Во время одного из исследований было доказано, что 8-минутной зарядки графенового аккумулятора хватило для поездки электрокара на дистанцию 1000 км.

Это весьма впечатляющий результат, но на достигнутом Graphenano останавливаться не собирается. Работы в данной области продолжаются. Результативность разработки два года назад предсказал Илон Маск — гендиректор Tesla Motors. В 2014 году от компании поступила информация о модификации литий-ионных аккумуляторов с помощью графена.

Благодаря этому удалось вдвое повысить емкость обычного накопителя, обеспечив пробег в 800 километров. Интервью с руководителем крупнейшего в США производителя электрокаров было напечатано в британском автомобильном журнале «Auto Express». В нем Маск признал, что 800 км — не предел.

Благодаря изобретению графена этот порог удалось перешагнуть.

Графен — один из самых прочных и одновременно тонких материалов, был синтезирован впервые в 2004 году. Его разработка — заслуга профессора Андрея Гейма, нобелевского лауреата по физике-2010.

Графеновый накопитель весит вполовину меньше обычного литий-ионного. Это свойство облегчает его подзарядку и позволяет повысить экономичность электротранспорта.

Несмотря на такое количество преимуществ, стоимость накопителя невысока.

Сущность его действия состоит в трансформации химической энергии в электрическую. При этом реакция в графеновом аккумуляторе проходит более эффективно и не приводит к загрязнению окружающей среды. «Протонный фильтр», как назвал графен его создатель, несмотря на высокую прочность способен пропускать сквозь себя протоны.

Именно это и делает рациональным его использование в топливных элементах. Как сито, графен отсеивает водород из воздуха, используя энергию этого химического элемента для инициации движения электронов и возникновения тока. При этом утечка энергоносителя не возникает, что положительно сказывается на экономичности технологии.

Благодаря необычным свойствам материала Департамент энергетики США в своих планах до 2020 года делает ставку на повсеместное внедрение графеновых технологий.

Плюсы и минусы технологий

Испанские инженеры разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на 77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км.

• Графеновые батареи уже взяли на тестирование две из 4-х немецких автомобильных компаний.
• Электромобиль, конечно, очень привлекательный вид транспорта.
• Транспортное средство, которое не загрязняет окружающую среду, создает меньше шума, и ездит на дешевом топливе, это, конечно, очень интересно.
• Хотя они и не достигают мощности и скорости транспортных средств на ископаемом топливе, но все же они удовлетворяют основные транспортные потребности большинства людей.
• Тем не мене современные электромобили имеют 2 основных недостатка: очень долгое время зарядки и короткое время автономной работы.

И хотя литий-ионные аккумуляторы, которыми укомплектованы текущие электромобили, постоянно улучшаются, для полной их зарядки требуется несколько часов, а автономия в перемещении едва достигает 300 километров.

Эти ограничения сможет убрать новый графен-полимерный аккумулятор разработанный испанской компанией Graphenano совместно с исследователями из университета Кордовы.

Компания Graphenano является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так что они знают, что делают. И правда в том, что графеный аккумулятор может сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он весит половину литий-ионного аккумулятора, он стоит на 77% меньше, заряжается за восемь минут, и предлагает автономность езды до 1000 километров.

Графен — это чудо-материал, который выявили лишь в 2004 году в листе углерода толщиной в один атом. Это в миллион раз тоньше, чем лист бумаги.

Графен является  чрезвычайно легким: лист одного квадратного метра весит всего 0,77 грамма. Он прозрачный, гибкий, водонепроницаемый, не загрязняет окружающую среду, и в 200 раз прочнее стали. Кроме того, он сверхпроводимый: его проводимость в 100 раз быстрее, чем у современных кремниевых чипов.

Графен проводит тепло, вырабатывает электроэнергию и меняет свои свойства в сочетании с другими материалами. Он настолько совершенен, что даже атомы гелия, мельчайшие в мире, в нем могут пересекаться. И еще его очень легко восстановить после повреждений.

Как это не странно, графен недорогой в производстве, и очень распространен в природе. Все страны имеют его в изобилии.

Компания Graphenano начнет производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые будут тестировать их на своих автомобилях.

Из-за своей плотности, графеновые батареи слишком велики для использования на мобильных устройствах, но Graphenano работает над тем, чтобы уменьшить их размер. Если это им удастся, то смартфон можно будет заряжать всего за 5 секунд.

Графен, несомненно, является одним из материалов, которые перевернут технологии в ближайшие годы. Это только начало…

Особенности Графена

На сегодняшний день разработка новых материалов, на основе которых будут производиться аккумуляторные батареи, ставится на передний план перед многими исследовательскими лабораториями и университетами разных стран. Таким образом, был найден новый революционный материал под названием графен.

По своему строению – это особая модификация углерода, состоящая из слоя атомов углерода толщиной всего в один атом. По исследовательским данным, графен имеет удельную энергоемкость около 65 кВт*ч/кг.

Этот показатель в целых 47 раз больше, чем у распространенных сегодня литий-ионных аккумуляторов. Но материал еще находился на стадии тщательного исследования и имел небольшую нестабильность.

Потом ученые Австралийского Университета Монаша нашли способ удержания тончайших графеновых пластин в стабильности путем переработки материала в особый водный гель.

В ходе исследований геля было определено, что если из такой составляющей изготовить аккумулятор, то скорость его зарядки будет составлять несколько секунд.

Разработчики этого материала заявляют, что  создание аккумулятора на основе графена было только задумкой, и никто не воспринимал ее всерьез.

Все собранные из него конструкции стремительно пытались упорядочится в обычный графит и теряли свои свойства.

Графеновые аккумуляторы перспективы развития

Сейчас, открытие графена имеет не такую популярность, как раньше, но разработки аккумуляторных батарей на его основе не заканчивались и уже достигли определенных положительных результатов.

Именно этот материал послужил толчком прогресса в процессах исследовательских работ по определению инновационных технологий накопления и удержания электрической энергии.

Данные работы начались в далеком 2010 году и продолжаются по сей день в Китае, Корее, Испании, а также США.

Существенного прорыва удалось добиться американским ученым, которые изобрели суперконденсатор на основе данного материала. Он имел энергоёмкость, которая в сотни раз превышала ёмкость уже существующих батарей. Главной причиной нераспространенности конденсатора стала узкая сфера использования, в которую входили только мало потребляющие аппараты, такие как телефоны, планшеты и другие.

Первыми, у кого получилось изобрести стабильную аккумуляторную батарею, стали испанские исследователи Университета Кордовы. Разработанные батареи получились очень мощными и производительными, что позволяет вывести их на новый уровень.

В скором времени графеновые аккумуляторы будут активно использоваться в автомобилестроении. В ходе исследований было точно определено, что автомобили с такими батареями на борту, смогут проезжать без подзарядки до тысячи километров.

На подзарядку таких аккумуляторов будет уходить не более восьми минут.

Для справки, современные электромобили с уже известными видами батарей проезжают в среднем до 400 километров, а время зарядки может длиться до нескольких часов.

Испанские изобретатели уже успели успешно протестировать графеновые аккумуляторы с двигателями электромобилей крупного автомобильного производителя по имени BMW.

В ходе тестов были сняты все основные характеристики поведения аккумуляторных батарей, вследствие чего были проведены нужные расчеты.

По этим расчетам стало ясно, что батареи на основе графена с полной уверенностью могут помочь в решении вопроса низкой энергоэффективности уже существующих видов аккумуляторных батарей. Также в будущем позволит значительно снизить рыночную стоимость электромобилей.

Таким образом,   графеновые аккумуляторы позволят снизить загрязнение окружающей среды от выхлопных газов, путем постепенного вытеснения бензиновых двигателей с дорог большинства стран мира.

Компания Graphenano, которая является передовым разработчиком графеновых технологий, а также основным поставщиком графита, заявляет, что массовые производства новых аккумуляторных батарей на основе графена могут стартовать уже в следующем году, при условии успешного окончательного исследования данного материала.

Появление графеновых аккумуляторов на рынке кардинально изменит технологии производства электротоваров, нуждающихся в автономной работе.