Графеновые аккумуляторы

Особенности магний-графенового аккумулятора

Батареи из магния были разработаны в 2017 году учеными и инженерами из Испании. Графеновые аккумуляторы с использованием магния в качестве электролита отличаются крайне быстрой скоростью заряжания и емкостью. Фактически это батареи нового поколения. Стоимость, относительно литий-ионных аналогов, упала на 77%. Масса также снизилась, на 50%. За счет высокой подвижности ионов время зарядки батареи составляет 8 минут. Максимальная емкость батареи достаточна для 1000 километров езды на электромобиле.

После тестирования немецкими автомобильными концернами было принято решение об ее использовании в промышленности. Хотя электромобиль без использования ископаемых источников топлива не способен достигать скорости традиционных транспортных средств на бензине или дизельном топливе, однако стоимость питания и обслуживания у него значительно ниже. Благодаря чему, машины на электричестве становятся перспективной разработкой.

Важно! Относительно серийных авто на литий-ионных батареях, которые требуют подзарядки, графеновые аккумуляторы заряжаются намного быстрее и дают дальность хода приблизительно в 3 раза дольше

Актуальные разработки

Уже сейчас на рынке представлены зарядные блоки (powerbank) от компании Real Graphene. Они основаны на графеновой технологии и позволяют за считанные минуты зарядить смартфон или планшет.

Их аккумулятор способен выдержать порядка 1500 циклов зарядки, не теряя свои изначальные технические характеристики. При этом девайс не генерирует большое количество тепла, остаётся холодным и безопасным во время работы.

Если говорить про машины, то буквально недавно китайская компания GAC заявила о том, что собирается тестировать графеновые источники питания. Их установят на автомобиль и проверят в реальных условиях эксплуатации.

Китайцы считают, что электромобиль с таким источником питания сможет получить 85% заряда всего за 8 минут.

Первые тесты ожидаются в конце 2020 года, либо в начале 2021 года. Пандемия внесла свои коррективы. В итоге результаты покажут, будет ли компания запускать массовое производство.

Ожидаемая стоимость нового электрического китайского автомобиля составит 30,5 тысяч долларов. При этом порядка 40% от стоимости это цена батареи.

Схема разработки 3DG

Графеновую технологию специалисты GAC начали осваивать ещё с 2014 году. За 4 лет активной работы удалось создать 3DG. Это трёхмерный графеновый материал. В ноябре 2019 года была официально проведена презентация сверхбыстрой аккумуляторной батареи для зарядки.

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. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, однако серийных образцов до сих пор нет.

В России разработка графеновых аккумуляторов связана с использованием магния, который должен заменить литий. Российские ученые считают приоритетным направлением применение графеновых изделий в автомобилестроении, ветряной или солнечной энергетике.

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.

Батареи из графена

Устройства из инновационного материала сделали качественный толчок в автомобилестроении. Наибольшую пользу получили электромобили. За счет повышенной активности заряженных частиц в материале емкость полученных графеновых аккумуляторов значительно повышается.

Первые источники питания на основе материала строились с добавлением лития в листы. Однако такая схема малоприменима для использования в промышленности из-за бурной реакции вещества с водой и другими окислителями. При контакте лития с водой на открытой местности происходит масштабный взрыв. Поэтому любое механическое повреждение автомобиля или батареи с последующим контактом с жидкостью может привести к возгоранию и невозможности тушения пожара в краткие сроки при использовании воды.

Также потребность в больших количествах лития существенно удорожала производство. Количество залежей вещества на планете незначительно, поэтому для длительного промышленного производства не хватит использования в аккумуляторах. Накопительные элементы с использованием данного материала отличались крайне медленным сроком зарядки, за счет чего их было затруднительно использовать в автомобильной промышленности. Поэтому требовалось получить новый источник питания с применением графена. Таковым стал магний графеновый аккумулятор.

Преимущества аккумуляторов

К основным достоинствам источников питания из инновационного материала относят:

• Низкая масса. Квадратный метр вещества за счет пленочной структуры, состоящей из слоя в один атом, весит менее 1 грамма. Благодаря чему, батареи, источники питания и другие изделия из материала получаются значительно легче аналогов;
• Вещество полностью прозрачное, что позволяет проще обслуживать агрегаты на основе графена;
• Высокие физические характеристики гибкости и прочности. Графен прочнее стали приблизительно в 200 раз при сходной толщине, благодаря чему механические повреждения не наносят вреда аккумулятору. За счет пленочной структуры батарею будет легко восстановить;
• Большое количество свободных ионов и рекордная проводимость заряда позволяют получать скорость до 100 раз выше, чем у кремния. Поэтому материал можно использовать для создания электронных вычислительных машин.

Графен представляет собой инновационный материал с высокими физическими характеристиками прочности и проводимости. За счет чего сырье нашло применение во множестве различных сфер, начиная от радиодеталей и компьютеров, заканчивая источниками питания. Аккумуляторы из графена с магниевым элементом отличаются повышенной относительно аналогов емкостью и крайне высокой скоростью заряда. Благодаря чему, могут использоваться во множестве сфер, начиная от автомобилестроения, заканчивая питанием различным деталей, изготовленных своими руками.

Графеновый аккумулятор для электромобиля

Разработки аккумуляторов для автомобилей с графеном перспективны. Новости о производстве скупы. Компании всего мира стремятся создать собственные разработки. Поэтому информация о графеновых аккумуляторах засекречена.

В основном разработки ученых направлены на создание крупных аккумуляторов для транспорта. Автомобильный пробег на одной зарядке модели Tesla Mobil S составляет 800-1000 км, скорость зарядки 10-12 минут. Транспорт экологически чистый. С развитием производства графеновых аккумуляторов неизбежно строительство сети зарядных станций.

Производство графеновых аккумуляторов перспективно. Именно такого емкого и быстро заряжающегося источника энергии не хватает для развития электромобилей

Важно и то, что весит новый аккумулятор в 2 раза меньше литий-ионных батарей. Его механические свойства идеально вписываются в условия эксплуатации машин

Графен в 200 раз прочнее стали, эластичный. Первые опытные образцы уже проходят испытания.

В России лидером в разработке магний графеновых аккумуляторов является предприятие «Конгран» (конденсатор графеновый Академии наук), резидент центра Сколково. Ведутся работы по подбору и созданию устойчивой композиции двухмерного графена, стремящегося к объемной структуре.

Перспективы технологии

Уже сейчас графеновые источники питания постепенно внедряются в разные отрасли. Это электроника, мобильные гаджеты, электрические машины и пр. Это только начало.

Графеновый аккумулятор при производстве электромобиля

Многие эксперты уверены, что в ближайшее время состоится настоящий прорыв в сфере создания новых источников питания. И всё это благодаря графену.

В науке, промышленности и других сферах открываются огромные перспективы. Более того, графеновые батареи ожидает внедрение в обычные хозяйственные цели.

Специалисты считают, что в случае начала массового производства батарей и источников питания на базе графена появятся:

• новые электромобили с огромным запасом хода;
• современные производственные линии;
• электростанции с высокой эффективностью работы;
• специальные заправочные станции;
• компактные батареи для мобильных устройств.

Также это огромный шаг в решении экологической проблемы загрязнения выхлопными газами.

Перспективы по состоянию на конец 2020 года у графеновых АКБ намного радужнее и оптимистичнее, нежели ещё 2-3 года назад.

Что вы знаете о графеновых аккумуляторах? Где-то с ними сталкивались? Насколько перспективной считаете эту технологию и почему? Действительно ли все электрокары перейдут на такие батареи?

Подписывайтесь, оставляйте отзывы, задавайте вопросы и рассказывайте о нашем проекте своим друзьям!

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.

Графеновый аккумулятор для квадрокоптера

Любой летательный аппарат эффективности полета и его дальности обязан бортовой АКБ. При выборе источника энергии важны емкость, токоотдача, вес и габариты. До появления графеновых аккумуляторов непревзойденными качествами обладали литий-полимерные. Но они склонны к возгоранию при перезаряде и нагревании. Этих недостатков лишены магний графеновые аккумуляторы. Купить некоторые из образцов уже возможно.

Лучшим считается аккумулятор в жестком корпусе Turnigy Graphene 5000 mAh 2S2P. Новая батарея поддерживает высокую выходную мощность, под нагрузкой остается холодной. При этом батарея обеспечивает разряд 90С постоянно и 130С кратковременно. Вес конструкции с проводами и разъемами 291 грамм. Заряжается быстро с потреблением тока до 15 С, от LiPo зарядки.

Есть и другие аккумуляторы, разработанные на основе графеновых составляющих от разработчика Graphene. К ним относится:

• модель FlyMod от компании ONBO Power;
• Dinogy Ultra Graphene 02 4S 80C – вторая доработанная модель;
• Thunder Power Adrenaline – лучшие модели для продолжительных полетов.

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.

Устройство графенового аккумулятора

Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента. Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый.

Ученые прогнозируют, будущее за графеновыми аккумуляторами. Их плюсы неоспоримы, а минусы минимальны. Но создать устойчивые компоненты, закрепить двухмерность углерода не просто.

Зарубежные научные корпорации пошли по пути создания графеновых накопителей энергии с электролитом в виде LiCoO2. Идут разработки, уже имеется опытное производство аккумуляторов с 2015 года. Первой стала испанская компания Graphenano. На зарядку графенового аккумулятора требуется всего 8 минут. При этом заявлено, что емкость литий-графеновых аккумуляторов в 10 раз больше, чем литий-ионных.

Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания. Ученые прогнозируют емкость новых, магниево-графеновых аккумуляторов, больше литиевых в 2,5 раза.

Не остались в стороне разработчики в области IT-технологий. Графеновые аккумуляторы входят в производство. Уже в 2018 году эксперты из компании Elecjet выпустят портативный заряжающий аккумулятор USB-C на графеновой основе. Зарядить телефоны iPhone 5,6,7 можно будет за 5-10 минут.

В январе 2018 года компания Samsung обещала поставить в торговые сети новый смартфон Galaxy S9 с настоящей графеновой батареей. При емкости в 3000мА/ч заряжаться телефон будет 15 минут. Компания получила патент на графеновый аккумулятор для смартфонов и будет единственным мировым поставщиком.

Преимущества и недостатки

Чтобы сделать определённые выводы про графеновые аккумуляторы, стоит взглянуть на их плюсы и минусы.

Да, это перспективная технология. Да и имеющиеся достоинства об этом наглядно говорят. Хотя и без недостатков здесь не обошлось. Даже в условиях, когда массово батареи ещё даже не начали выпускать.

Если говорить про плюсы и минусы, которыми характеризуются графеновые аккумуляторы, то на эти АКБ стоит взглянуть со всех сторон.

Для начала о сильных качествах перспективной технологии:

Батареи имеют небольшой вес. Они значительно легче в сравнении со свинцово-кислотными аналогами или другими источниками питания, используемыми в автомобилях. На 1 квадратный метр графена приходится всего 0,77 грамма веса.
Высокие показатели проводимости. В плане этой характеристики графен в разы лучше, чем ряд других полупроводниковых материалов.
Прочность и водонепроницаемость. Также важные характеристики, учитывая условия эксплуатации автомобилей и прочего транспорта, где такие АКБ могут использоваться.
Экологичность. В отличие от свинца и жидкого электролита, АКБ на основе графеновой технологии не будут загрязнять окружающую среду

Это решение ещё одной важной современной проблемы.
Удельная ёмкость. Отличные показатели

Потенциально графеновые батареи способны демонстрировать около 1000 Вт/ч на 1 кг.
Возможность регулировки свойств. Это достигается за счёт сочетания и комбинирования с графена с другими используемыми материалами.
Доступность сырья. В качестве сырья для получения графена используется графит. А это распространённый, доступный и недорогой материал.

Но не всё так радужно. Технология имеет ряд недостатков.

Исследователи говорят, что из-за плотности сделать АКБ компактными невозможно. Поэтому перспективы использования технологии в мобильных устройствах сомнительные. Батареи получаются массивными. Специалисты пытаются решить этот вопрос. Но пока ни одного серийного образца не выпустили.

С позиции автомобильной сферы всё намного интереснее. Потенциальный переход на графеновую технологию способен увеличить пробег актуальной Tesla Model S с 400 до 1000 км. без подзарядки.

Электромобиль Tesla Model S

На саму подзарядку батареи потенциально достаточно потратить 10-15 минут. Но при условии наличия мощной зарядной станции. Специалисты уверены, что такой вопрос решается довольно легко.

Проблема в литии, который также применяется при создании графеновых источников питания. Этого вещества в природе не так много. Полностью удовлетворить потребности автомобильной отрасли не получится. Поэтому ведутся работы над тем, чтобы вместо лития использовать магний.

Графеновый аккумулятор:

Графеновый аккумулятор – своеобразный гибрид между конденсатором и химическим источником тока. Значительное увеличение плотности и мощности накапливаемой в нем энергии достигается за счет окислительно-восстановительных реакций в области катода из гипероксидированного графена, имеющего дополнительную оксидную группу, а также последующего чередования графеновых и кремниевых пластин. Анод может выполняться из двух типов материалов: кобальтата лития либо оксида магния. В результате устройства – графеновые аккумуляторы имеют максимально возможную подвижность электронов.

Графен – одна из разновидностей углеводородных кристаллов с атомами, напоминающие своей формой правильные шестиугольники, занимающие одну общую плоскость. Эту тончайшую пленку (в сотни тысяч раз тоньше бумажного листа) открыли российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов, изучая подложку кремниевого оксида. Наглядно материал представляет собой прозрачную углеродную пластинку, соответствующую по толщине одному атому (91х10-12).

У него – графена очень высокая прочность, электропроводность и энергоемкость. Так, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.

Именно эти уникальные свойства позволяют использовать графен в качестве материала для создания аккумуляторов.

В зависимости от используемых производных материала, графеновый аккумулятор может создаваться на основе двух физических принципов:

– на основе окиси графена, которая используется при построении энергонакопителя, обеспечивающего высокую удельную емкость;

– на основе восстановленной окиси графена, которая в используемых катодах химически связывает с собой кислород.

В обеих разновидностях батарей также используются электрохимические процессы, но устройства работают на экологически чистом электролите с полиаминокислотной основой.

Что это такое

Специалисты давно ведут работу над поиском материалов, которые можно эффективно использовать для создания АКБ. Но пока свинцовые пластины так и остаются основой. Они совершенно не удовлетворяют запросы современных электромобилей и экологического транспорта.

Огромный шаг вперёд в этом направлении удалось сделать в 2004 году. Именно тогда двоё учёных из Великобритании сумели создать в лабораторных условиях новое вещество. Оно изготовлено на основе углерода и носит название графен. Через 6 лет за свою разработку они удостоились Нобелевской премии.

Графен — это одна из разновидностей графита. В состав вещества входят атомы углерода. Кристаллы материала напоминают листы бумаги, которые сложены в большое количество слоёв.

Кристаллическая структура графена

Тут стоит учесть свойства графита. Его атомное взаимодействие между слоями является слабее, нежели в середине. Из-за этого графит широко применяют при производстве карандашей. В итоге учёные расщепили графит на слои, и создали новое вещество. Свойства получились такими же, только усиленными в несколько раз.

Подобные разработки дали новый серьёзный толчок в развитии электроники, а также новых видов батарей и аккумуляторов. Графит по своей природе обладает высокой электропроводностью и отлично проводит тепло. В итоге графен стал заменителем для целого ряда дорогостоящих материалов. Поскольку графит доступен в природе в больших количествах, то с производством графена на его основе проблем не возникает.

А выглядит-то как!

Тот случай, когда хочется вынуть аккумулятор из сумки и положить на стол, чтобы его видели все. Дизайн реально премиальный.

Обычный пауэрбанк не привлекает внимание своим внешним видом. Выглядит дорого и строго, такое не стыдно положить рядом с iPhone 11 на барную стойку или на стол во время совещания

И все благодаря закаленному стеклу и металлической рамке. Прямо как в современных смартфонах

Выглядит дорого и строго, такое не стыдно положить рядом с iPhone 11 на барную стойку или на стол во время совещания. И все благодаря закаленному стеклу и металлической рамке. Прямо как в современных смартфонах.

Собственно, стекло выбрано не только ради люксового дизайна. Под ним размещена беспроводная зарядка, а также цифровой монохромный индикатор.

Однако есть небольшой лично для меня минус. Весит такой девайс целых 290 грамм. Это увесистое устройство, но довольно компактное: 80х17х110 мм.

Хотя это понятно. В гаджете встроено много технологий, и на фоне конкурентов он не намного тяжелее. Примерно на одном уровне. Но ему это даже к лицу.

Ну и приятный бонус от производителя. В коробке лежит стильный кожаный чехол, который только подчеркивает статусность девайса.

Теперь это моя любимая «банка»

Через мои руки прошло колоссальное количество пауэрбанков: от ноунеймов и Xiaomi до InterStep и Samsung.

Свежая модель Prestigio выделяется среди них абсолютной всеядностью, прекрасной стабильностью и максимальной надёжностью. Заряжается, разряжается, поддерживает одинаковую ёмкость — всё работает как часы и соответствует паспортным данным.

И если другие гаджеты ломались быстро, то этому я доверяю на 100%. Думаю, через год или два он будет работать так же хорошо, как и сейчас.

iPhones.ru

Я просто в него влюбился.

Артём Баусов

Главный по новостям, кликбейту и опечаткам. Люблю электротехнику и занимаюсь огненной магией.

Telegram: @TemaBausov