Для работы различной техники, функционирование которой связано с электричеством, широко применяются источники энергии. Они не зависят от розеток и прочих факторов, то есть являются независимыми. Самый наглядный пример — это аккумулятор в машине.
АКБ в среднем служат 3-4 года, после чего их выводят из эксплуатации и утилизируют. Также аккумуляторы отличаются сравнительно небольшой ёмкостью, а в некоторых случаях низкой степенью надёжности.
Минусы в виде небольшого срока службы и малой ёмкости хотят устранить, используя графеновые батареи. Но говорить об их массовом внедрении в автомобили сейчас слишком рано. Нужно взглянуть на их перспективы.
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.
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.
Как устроены аккумуляторы
Многих интересует вопрос устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, которые активно развиваются и производятся в настоящее время.
Если говорить о том, как устроен изучаемый графеновый аккумулятор, и на основе каких принципов он работает, то тут существенного отличия от АКБ для машин с двигателем внутреннего сгорания нет. Разница только в протекающих внутри электрохимических процессах.
В большей степени они напоминают реакцию, которая наблюдается в батареях литий-полимерного типа.
Важно отметить, что сейчас акцент делается на 2 технологиях в сфере создания аккумуляторов с графеном. Одна из них разрабатывается в США, а над второй работают российские специалисты.
- Американская модель предусматривает использования кобальтата лития и катода, основанного на графеновых и кремниевых пластиках.
- Российская версия — это магний-графеновый источник питания. Здесь применяют не литиевую соль в качестве анода, а оксид магния. Последний отличается ценовой доступностью и более низкими показателями токсичности.
В двух моделях АКБ ионы на увеличенной скорости проходят между анодами и электродами батареи, что обусловлено высокой электропроницаемостью материала, а также его свойствами накапливать заряды электричества.
Специалисты из США и России расходятся во мнении относительно возможных показателей ёмкости. Американские разработчики уверены, что им удастся поднять ёмкость до показателей, в 10 раз превышающих возможности литий-ионных АКБ. Российские учёные делают более приземлённые прогнозы. По их мнению, ёмкость увеличится в 2-3 раза.
Какие характеристики в итоге приобретут графеновые аккумуляторы, и смогут ли их использовать для оснащения электромобилей так же, как и литий-ионные АКБ, говорить сложно. Но у учёных оптимистичные прогнозы.
Как это работает
Ранее уже говорилось, что графеновый перспективный аккумулятор работает на основе тех же электрохимических реакций, которые актуальны для свинцовых батарей с щелочным или кислотным типом электролита внутри. А по устройству они напоминают больше литий-ионные источники питания.
Нюанс в том, что в качестве катода применяют угольный кокс. Это обусловлено его химической близостью к чистому углероду. Вместо графитового слоя используется графен.
Ёмкость источника питания зависит от количества ионов, находящихся на кристаллической решётке используемого анода. То, с какой скоростью перемещаются ионы, влияет на скорость зарядки АКБ.
Чтобы увеличить ёмкость, между слоями графена начали устанавливать специальные кластеры. Они выполнены из кремния. С целью увеличения скорости зарядки в пластины на основе графена добавили отверстия. Их размер составляет буквально 15-20 нм.
То есть принцип работы рассматриваемого графенового аккумулятора основан на электрохимических реакциях. Только скорость их течения выше, и накапливаемый заряд больше. Это даёт возможность увеличить эксплуатационные характеристики устройства.
Несмотря на отличия в технологиях разработки, принцип работы для любого графенового аккумулятора остаётся пока идентичным. Возможно, специалисты внесут свои точечные изменения. Но база или основа работы таких источников питания одинаковая. Вопрос лишь в том, кому удастся максимально эффективно реализовать на практике все имеющиеся знания.
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.
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.
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.
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.
Перспективы технологии
Уже сейчас графеновые источники питания постепенно внедряются в разные отрасли. Это электроника, мобильные гаджеты, электрические машины и пр. Это только начало.
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?
Ждём ваших ответов в комментариях.
Подписывайтесь, оставляйте отзывы, задавайте вопросы и рассказывайте о нашем проекте своим друзьям!
