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.

По мнению учёных, графен вполне может заменить используемые сегодня полупроводники на основе редкоземельных металлов. На его основе можно получить элементы, имеющие размеры в несколько раз меньше. К тому же, графен более распространён в природе и стоит дешевле редкоземельных металлов. Помимо этого, новый материал имеет высокую тепловую стойкость, что даёт возможность увеличить мощность микросхем.

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.

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.

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.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

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

Компания Graphenano из Испании является одним из крупных производителей графена в промышленных объёмах. Инженеры Graphenano и специалисты университета Кордовы в Испании несколько лет назад разработали графеновый аккумулятор нового поколения. Им удалось создать модель, которая дешевле аналогичных батарей других производителей на 70─80%.

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.

В Австралии разработками графеновых аккумуляторов занимаются специалисты университета Monash. Как известно, одной из проблем графена является поддержание его в стабильном состоянии. Этот материал стремится перейти в обычный графит, при котором теряются уникальные характеристики. Австралийские учёные решили эту задачу путём превращения графеновых пластин в водяной гель. Они утверждают, что если изготовить аккумулятор из этого геля, то скорость его зарядки составить всего несколько секунд.

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.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎