Не надо быть специалистом, чтобы понимать, что каждая автономная система, работающая на электричестве, нуждается в независимых источниках электроэнергии. Речь идет о мобильных устройствах, транспортных средствах, в которых установлены аккумуляторы и батареи. Источники питания, распространенные сейчас, имеют ограниченный объем и служат относительно недолго. Графеновые аккумуляторы лишены этих недостатков. Что это за тип АКБ, каково их устройство, плюсы и минусы, где найти – об этом в статье.
Графеновые аккумуляторы отличаются малым весом и высокой проводимостью.
Что такое графен
Ранее углерод был доступен в двух формах – графит и алмаз. Первый нашел применение как стержень карандаша, а алмаз и вовсе является наиболее прочным материалом на Земле. В 2004 году британские ученые российского происхождения К. Новоселов и А. Гейм в лабораторных условиях создали новую форму – графен.
Если отталкиваться от википедии, графен – вещество, имеющее пленкообразную структуру, которое «собирается» из атомов углерода. В природе такая двумерная пленка не встречается. А делает ее человек, в условиях повышенного давления и температуры.
По сути, графен – плоскость графита, отделенная от общей структуры материала. Атомы углерода графена «соединяются» друг с другом и образуют шестигранную кристаллическую решетку. За счет высокоплотной связи вещество характерно высокой степенью жесткости и повышенным запасом теплопроводности.
Дело в том, что электроны в веществе остаются подвижными, а значит материал, полученный в 2004 году, подходит для применения в полупроводниковых схемах, источниках питания. Графеновая батарея мало весит, и в то же время имеет емкость больше, чем у доступных ныне аналогов.
Рынок
Исследования графена продолжат расширяться в течение следующего десятилетия, обещая сделать жизнь людей лучше. В 2022 году мировой рынок графеновых батарей оценивался в 49 миллионов долларов, и, по прогнозам, к 2027 году он достигнет примерно 399 миллионов долларов, что означает CAGR (совокупный годовой темп роста) более 31% в течение прогнозируемого периода.
Рост рынка обусловлен использованием графеновых батарей в электромобилях, портативных электронных устройствах и резким увеличением использования нетрадиционных источников энергии. Ожидается, что автомобильный сегмент будет иметь самые высокие темпы роста из-за растущего спроса на электромобили из-за экологических проблем.
Согласно прогнозам, на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться самая большая доля индустрии графеновых батарей. Ключевыми странами, способствующими увеличению спроса, являются Китай, Япония и Южная Корея. Европа, вероятно, будет занимать вторую по величине долю на мировом рынке графеновых батарей.
Особенности графеновых аккумуляторов
За открытие графена ученые были удостоены Нобелевской премией, так как полученный материал является уникальным, и помимо тонкости (толщина листа – 1 атом), характерен другими свойствами:
- высокая электропроводность;
- гибкость;
- теплопроводность;
- повышенная механическая прочность;
- прозрачность;
- непроницаемость для многих газов, жидкостей.
Метод получения графена.
Технологии на основе графена заинтересовали производителей, и они готовы выделять серьезные средства для углубленного изучения. Этот материал применяется в разных отраслях: высокие технологии, медицина, экология, космические и военные отрасли, автомобилестроение.
«Новый углерод» серьезно заинтересовал производителей автомобилей. Источники питания на его основе более всего подходят для электромобиля. За счет повышенной активности заряженных частиц получилось увеличить полезную емкость АКБ. Материал, компонованный в плоский проводник, способен за короткий срок накопить большой заряд.
При этом на начальных этапах разработки в листы графена добавляли литий, только он плохо реагировал на воду и прочие окислители, и в промышленных целях пришлось искать что-то другое. Литий-графеновые аккумуляторы характерны долгой зарядкой, поэтому в сфере автомобилестроения они не прижились. И со временем появился магний-графеновый источник питания.
Устройство
Сегодня аккумулятор из графена – условное понятие, так как производителей таких устройств пока мало, и они не торопятся сообщать об особенностях технологического процесса.
«Пионер» производства графеновых АКБ – фирма из Испании Graphenano, которая анонсировала первый образец еще в 2015 году. Заряжается он всего за 8 минут, а энергоемкость в 10 раз выше, чем у литий-ионных аналогов. В открытии предприятия, мощностей которого хватает для выпуска 80 млн ячеек в год, приняли участие инженеры компании Grabat Energy.
Новый тип источников питания делается из специального металлополимерного корпуса. В него вставлены пара пластин из меди и алюминия, оснащенные выводами – электрическими контактами. Между электродами расположен электролит, который может быть в жидком или твердом состоянии. В аноде содержится восстановитель, в катоде – окислитель. Чтобы отрицательно заряженные атомы лития не могли свободно перемещаться между электродами, в корпусе предусмотрен разделитель – сепаратор. Вообще, графеновые аккумуляторы в плане устройства аналогичны литий-полимерным батареям, только в первых электролит и сепаратор – графен.
Принцип работы аналогичен литий-ионным АКБ: при зарядке и разрядке ионы лития двигаются от анода к катоду через электролит. Электроны в это время достигают анода или катода по внешней цепи, что необходимо для создания в ней электрического тока.
Принцип действия:
Принцип работы графеновой АКБ.
- В ходе разрядки анод испытывает окислительную химическую реакцию – появляются свободные электроны, которые устремляются к катоду, где их мало. Но на их пути стоит сепаратор, и единственный выход – к цепи нагрузки, куда замкнута батарея. Электроны, двигаясь направленно, запитывают энергией подключенное устройство.
- Ионы лития с положительным зарядом тоже устремляются к катоду, но они свободного проходят через сепаратор.
- Когда все электроны переместятся к катоду – аккумулятор разряжается.
- В ходе подачи определенного напряжения на электроды, запускается процесс, когда ионы двигаются в обратном порядке. То есть электроны скапливаются на аноде и остаются там до тех пор, пока не будет подключена нагрузка.
Сейчас есть два подхода в изготовлении инновационных батарей:
- американская модель (графен-полимерный аккумулятор). Активным веществом выступает кобальтат лития, а материалом пластин – графен и кремний;
- российская модель. Литиевая соль заменена оксидом магния, который более легкий и не такой токсичный.
Неважно, какой вид, графеновая батарея куда эффективней аналогов, так как появилась возможность увеличить скорость перемещения заряженных частиц.
Перспективы развития
Пока ещё рано говорить о глобальном и полномасштабном внедрении графеновых аккумуляторов и батарей.
Но если этого удастся достичь, тогда перед графеном откроются великолепные перспективы. Эти источники питания могут применяться для:
- электрокаров;
- электрозаправок;
- электростанций;
- ветряных станций;
- солнечных батарей и пр.
Это также и улучшение экологической ситуации, которую создают машины с двигателями внутреннего сгорания.
Графен является одним из тех материалов, который в буквальном смысле может перевернуть современные представления о мире и электрокарах в частности. Это крайне перспективное направление. Потому совсем скоро стоит ожидать поступления графеновых АКБ в продажу. Первые модели для мобильных девайсов уже есть на рынке. При этом стоят они 100–120 долларов.
Плюсы и минусы
Батареи на основе графена эффективней аналогов, и когда они будут применяться повсеместно – вопрос времени. Преимущества АКБ:
- малый вес. Вес двух квадратных метров графена – 1.5 г, что куда меньше по сравнению с литий-ионными аналогами;
- высокая проводимость. За счет пористой кристаллической структуры кристалла графена электроны способны перемещаться без препятствий. Электропроводность вещества выше, чем у полупроводников, поэтому аккумулятор заряжается быстрее;
- прочность. Графен в этом плане практически не уступает алмазу, поэтому источники питания на его основе характерны высокой устойчивостью к разрушениям;
- водонепроницаемость. Графеновые пластины научились «превращать» в водянистый гель, и с таким раствором уменьшается время, необходимое для подзарядки;
- высокая удельная емкость. Графеновый электрод не только накапливает на своей поверхности ионы лития, но и позволяет им проникать внутрь материала. Получается, заряженных частиц в батарее больше, а вместе с этим растет и емкость;
- экологическая чистота и безопасность;
- хорошая ремонтопригодность;
- невысокая цена компонентов.
Есть у технологии и недостатки:
- низкая плотность. Готовые батареи получаются слишком крупными и не подходят для установки в мобильные устройства;
- технология удержания плоской структуры – сложная, и это отражается на конечной стоимости готового изделия;
- небольшое на данный момент количество циклов зарядки-разрядки;
- крупномасштабными партиями аккумуляторы еще не производят.
Тем не менее, перспективы у таких источников питания серьезные. С графеновой батареей автомобиль может проехать без подзарядки до 1000 км, а для восстановления емкости понадобится около 10 минут. Правда, без мощной заправочной станции не обойтись.
Области эксплуатации
Материал, за счет своих уникальных характеристик, может вызывать революцию во многих сферах промышленности. Помимо АКБ для электротранспорта, активно разрабатываются батареи для мобильных устройств.
Так, южнокорейский гигант Samsung внедряет графен в источники питания для смартфонов при помощи графеновых шариков. Но полноценных компактных батарей еще нет, зато соответствующие технологии применяются при изготовлении внешних АКБ, которые могут зарядить гаджет не за средние полтора часа, а за 10 – 12 минут.
Samsung собирается использовать графеновые аккумуляторы в своих смартфонах.
Опять же, что до телефонов, в 2016 году компанией Huawei была представлена литий-ионная батарея с графеновым покрытием. Она сохраняет работоспособность при температуре до +60° С, тогда как предел для существующих аналогов составляет +50°.
Тенденция такова, что сейчас создаются более легкие материалы. И графен – то самое вещество, которое пригодится для производства гибких дисплеев, вычислительных устройств, приборов для хранения данных и т.д.
Финансовые проблемы реализации научных достижений
Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет. Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.
А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто. Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн. сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.
И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями. Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.
Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа. Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.
Где купить АКБ
Такие источники питания еще недостаточно изучены, поэтому власти многих стран не торопятся давать им «зеленый свет». Впрочем, американская фирма Real Graphene уже продает батареи на основе этой технологии. Устройства, прежде чем потерять в емкости, выдерживают до 1500 циклов зарядки-разрядки, а также более устойчивы к нагреву.
Пауэрбанки Real Graphene, емкостью 3000 мАч, могут заряжаться за 20 минут, если использовать ЗУ мощностью 60 Вт. Цена модели на 10000 мАч, выходная мощность которой составляет 50 Вт – 60 долларов. Версия на 20000 мАч, с ЗУ 87 Вт, способная одновременно запитывать три устройства, обойдется в 77 долларов.
То есть времена, когда можно будет купить графеновый аккумулятор для смартфона – не за горами.
Экология
Переход на новый вид питания из графена положительно скажется на состоянии экологии. Ведь при наличии легких, долговечных и емких графеновых аккумуляторов, отпадает необходимость в применении тяжелых бензиновых или дизельных моторов на машинах. А это значит, сократится объем выброса вредных веществ в атмосферу.
Не нужно будет заботиться об утилизации опасных для здоровья кислотных и щелочных аккумуляторов. Ведь если алюминий или другие металлы из старых батарей еще можно применять после вторичной обработки, то свинец и другие тяжелые элементы необходимо утилизировать гораздо тщательнее.
Мир станет намного чище без нефтяных пятен, оставленных после аварий танкеров, выброшенных старых кислотных батареек, вредного химического производства, отравляющего реки и озера. Все это станет возможным после массового применения графеновых аккумуляторов.
Графеновый аккумулятор своими руками
Создание двухмерной структуры графена и закрепление его свойств – сложная задача, над которой трудятся многие ученые. Своими руками такую АКБ сделать нельзя, разве что получить само вещество. Для этого графит перерабатывают в порошок, обрабатывают химическим путем и наносят на алюминиевую подложку. Один из способов получить нужный состав:
Графитовый порошок.
- Берут графитовый порошок, жидкость для мытья посуды, помещают это в металлическую емкость и перемешивают в течение двух суток миксером, работающим от асинхронного двигателя.
- Получится пена, в которой во взвешенном состоянии будут микроскопические частицы графита.
- Пену высушивают, растворяют в лаке для обработки алюминия – получается графен.
- Полученный состав наносят на алюминиевую подложку, на основе которой и собирают магний-графеновый источник питания.
За графеновыми аккумуляторами будущее, надо только отладить все технические тонкости производства. Технология считается революционной, и способна серьезно повлиять на мир электротранспорта, смартфонов и прочих портативных гаджетов.
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.
