Каталог огранизаций по электромонтажу и электролабораторий:
Москва
Санкт-Петербург

Графеновые аккумуляторы

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.

Особенности материала
Особенности материала

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.

Получение

Существует несколько способов получения графена в условиях лаборатории или промышленных комплексов. Наиболее простым является послойное отсоединение от пиролитического графита при помощи механического воздействия на материал. Таким образом получаются высококачественные образцы, которые обладают повышенной активностью заряженных частиц. При использовании данного метода невозможно получать инновационный материал в промышленных масштабах из-за применения высокоточного ручного труда.

Интересно. Альтернативой является воздействие высокотемпературным отщеплением на соединение кремния с углеродом. Таким образом можно получать достаточно большое количество вещества в сжатые сроки. В 2010 году после исследования К. Новоселова и А. Гейма появилась возможность получать большие листы графена, которые образуются за счет осаждения вещества из фазы газа.

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.

Графеновый аккумулятор
Графеновый аккумулятор

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.

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.

Использование графенового аккумулятора в автомобиле
Использование графенового аккумулятора в автомобиле

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.

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.

Видео