Разработаны графеновые батареи с зарядкой за 15 секунд
Эстонский стартап Skeleton Technologies в кооперации с технологическим институтом Карлсруэ завершил разработку так называемой SuperBattery — графеновой батареи с временем зарядки в 15 с и живучестью в сотни тысяч циклов. Ключом к проекту стал нанотехнологический материал под названием Curved Graphene (изогнутый графен), запатентованный Skeleton и применяемый в электродах. Генеральный директор Таави Мадиберк считает, что кооперация европейских фирм должна стать ключом к лидерству ЕС в области хранения энергии.
В небольшом объёме суперконденсаторы давно применяются в автопроме как буферные накопители (примеры: система Mazda i-ELoop и гибрид Lamborghini Sian). Ограничения связаны с ключевыми свойствами ионисторов — у них огромная выходная мощность на единицу собственной массы, но маленький запас энергии. В чистом виде заменить химические тяговые батареи электрокаров они не способны. А вот некая комбинация из суперконденсаторов и традиционных литиевых ячеек может обеспечить автомобилю любопытное сочетание свойств, уверены в Skeleton Technologies.
Собственно SuperBattery неким образом скрещивает принципы хранения энергии как в конденсаторах и химические реакции. К слову, поглощение одного из крупных производителей суперконденсаторов Maxwell Technologies Теслой в 2019 году тоже свидетельствует: автопроизводители верят в перспективу этого направления развития аккумуляторной технологии. А ведь и литиево-ионные батареи своего последнего слова не сказали. К примеру, мы писали о ячейках с шестиминутной зарядкой и об опыте с «заливкой» 100 км быстрее трёх минут.
Фирма Skeleton Technologies достигла с институтом Карлсруэ соглашения не только о совместной разработке SuperBattery, но и о кооперации в выводе технологии на рынок. Ещё эстонская фирма сообщила, что подписала письмо о намерениях на один миллиард евро с неким ведущим производителем автомобилей, чтобы коммерциализировать разработку. Внедрение её ориентировочно ожидается в 2023 году, уточняет издание ElectricCarsReport.
Леонид Попов, 9 сентября 2020 в 17:28. Фото: Skeleton Technologies
Разработаны графеновые батареи с зарядкой за 15 секунд
Суперконденсаторы (на снимке показан один из этапов производства) хороши там, где нужно получать огромные токи зарядки или разрядки на очень короткое время (системы рекуперации энергии на торможении, Start&Stop, просто стартеры). А вот заставить их хранить больше энергии для других задач — не так-то просто.
Эстонский стартап Skeleton Technologies в кооперации с технологическим институтом Карлсруэ завершил разработку так называемой SuperBattery — графеновой батареи с временем зарядки в 15 с и живучестью в сотни тысяч циклов. Ключом к проекту стал нанотехнологический материал под названием Curved Graphene (изогнутый графен), запатентованный Skeleton и применяемый в электродах. Генеральный директор Таави Мадиберк считает, что кооперация европейских фирм должна стать ключом к лидерству ЕС в области хранения энергии.
В небольшом объёме суперконденсаторы давно применяются в автопроме как буферные накопители (примеры: система Mazda i-ELoop и гибрид Lamborghini Sian). Ограничения связаны с ключевыми свойствами ионисторов — у них огромная выходная мощность на единицу собственной массы, но маленький запас энергии. В чистом виде заменить химические тяговые батареи электрокаров они не способны. А вот некая комбинация из суперконденсаторов и традиционных литиевых ячеек может обеспечить автомобилю любопытное сочетание свойств, уверены в Skeleton Technologies.
Собственно SuperBattery неким образом скрещивает принципы хранения энергии как в конденсаторах и химические реакции. К слову, поглощение одного из крупных производителей суперконденсаторов Maxwell Technologies Теслой в 2019 году тоже свидетельствует: автопроизводители верят в перспективу этого направления развития аккумуляторной технологии. А ведь и литиево-ионные батареи своего последнего слова не сказали. К примеру, мы писали о ячейках с шестиминутной зарядкой и об опыте с «заливкой» 100 км быстрее трёх минут.
Фирма Skeleton Technologies достигла с институтом Карлсруэ соглашения не только о совместной разработке SuperBattery, но и о кооперации в выводе технологии на рынок. Ещё эстонская фирма сообщила, что подписала письмо о намерениях на один миллиард евро с неким ведущим производителем автомобилей, чтобы коммерциализировать разработку. Внедрение её ориентировочно ожидается в 2023 году, уточняет издание ElectricCarsReport.
Графеновый аккумулятор — современные технологии
Даже те, кто мало разбирается в технике, знают, что любой автономной системе, работа которой связана с электричеством, требуются независимые источники электроэнергии. Это мобильные устройства, транспортные средства, оборудованные аккумуляторами и батареями.
«Батарейки», широко используемые сейчас, ограничены в объеме и имеют непродолжительный срок службы. Графеновый аккумулятор этих недостатков лишен. В статье пойдет речь о том, что собой представляют такие батареи, как они устроены, какие у них достоинства и недостатки и где их можно найти.
О материале графен
Известно две формы углерода – графит и алмаз. Первый используется в качестве стержней карандашей, алмаз – наиболее прочный материал на всей планете. В 2004 году российские ученые «получили» ранее неизвестную, третью форму – графен.
Сам графен – это вещество пленкообразной структуры, «собранное» из атомов углерода (как гласит википедия). В природных условиях эту двумерную пленку не встретишь. Изготавливается она человеком, для чего требуются повышенное давление и температура.
По факту, это вещество является плоскостью графита, отделенной от общей структуры материала. Атомы углерода графена «объединяются» и получается шестигранная кристаллическая решетка.
Электроны в веществе сохраняют свою подвижность, поэтому открытый в 2004 году материал годится для «внедрения» в полупроводниковые схемы, батареи и нанотехнологии. Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость.
Графеновые аккумуляторы
«Инновационный углерод» нашел применение, в первую очередь, в автомобилестроении. Точнее – в производстве электромобилей. Повышенная активность заряженных частиц позволяет увеличить полезную емкость графеновых батарей.
На начальных этапах разработки этих источников питания, в листы графена добавляли литий. Но вещество «бурно» реагировало на воду и другие окислители, поэтому для промышленных задач эта схема оказалась малопригодной.
Литий, контактирующий с водой на открытой местности, приводит к масштабному взрыву. Поэтому такие модификации не устанавливались в автомобили, ведь, если транспортное средство повредится, а вместе с ним и аккумулятор – это может стать причиной возгорания.
Сам процесс производства требовал большого количества лития – вещества, которого на планете не так уж и много.
Принцип действия аккумулятора аналогичен тому, как работают классические батареи в автомобилях с ДВС. Различаются только электрохимические процессы, проходящие в «теле» устройства. Они практически аналогичны реакциям литий-полимерных батарей.
Есть две технологии производства графеновых источников питания:
У графена высокая электропроницаемость, а еще он склонен к накоплению электрозаряда. Поэтому в обоих случаях скорость движения ионов между электродами повышается, а вместе с этим и емкость батарей.
Преимущества и недостатки
Если сравнивать с традиционными технологиями, то у графеновых источников питания следующие достоинства:
Но и это не самая «страшная» проблема. Дело в том, что до сих пор батареи из графена не производят крупномасштабными партиями.
Устройство
Графеновые АКБ работают за счет той же электрохимической реакции, что присуща распространенным свинцовым батареям, в которых кислотный или щелочной электролит.
Устройство более всего схоже с литий-ионными источниками питания, в которых задействуется твердый электролит.
Единственное, катодом выступает угольный кокс, так как его химический состав наиболее близок к чистому углероду, а графитовый слой заменен графеновым.
Для повышения «вместимости» батареи, ученые начали устанавливать между слоями графена кластеры из кремния. А для повышения скорости зарядки в пластинах графена начали делать небольшие отверстия, 15 – 20 нм (нанометров).
Особенности магний-графенового аккумулятора
Первые магниевые батареи были разработаны испанскими учеными в 2017 году. Графеновые аккумуляторы, в которых электролитом выступает магний, более емкие и быстрее заряжаются.
Нередко это изобретение относят к батареям нового поколения. При этом, они на 77% дешевле и на 50% легче литий-ионных аналогов.
Высокая подвижность ионов позволяет зарядить такой аккумулятор за 8 минут. А максимальной емкости достаточно, чтобы электромобиль смог проехать 1000 км.
Принцип действия любых аккумуляторов – химические процессы окисления и восстановления. Магний, который стоит практически в 20 раз дешевле лития, выбран неслучайно.
Магний, как литий, не взрывоопасен при контакте с жидкостью, также его легче утилизировать. Да и запасов его на планете куда больше.
По мнению ученых, новые магний-графеновые батареи будут иметь емкость в 2,5 раза больше, чем у традиционных литиевых источников питания.
Немецкие автомобильные концерты приняли такую батарею на тестирование. Тест оказался успешным и пошли разговоры об использовании аккумуляторов в промышленности.
Электромобиль, работающий без использования ископаемых источников топлива, не будет таким же быстрым, как транспортное средство на бензине или «дизеле». Но снижается цена питания и обслуживания. А это уже значимый шаг, который еще более отображает перспективность машин на электричестве.
По их мнению, подобные источники питания станут еще безопаснее, более стойкими к возникновению коротких замыканий.
Где купить аккумулятор
Аккумуляторы, сделанные из графена, пока что остаются только в виде проектов. Если они будут реализованы, то получатся батареи, которые смогут в течение года работать без подзарядки. Пока что заряд приходится постоянно пополнять и все знают, сколько примерно заряжаются литий-ионные «пластины».
Углеродные источники питания – технология, которая найдет отклик в будущем, когда будут отлажены все технические тонкости производства. Тогда, может быть, появятся и первые смартфоны с графеновыми аккумуляторами, которые будут заряжаться за несколько минут.
Аккумуляторы и батареи
Информационный сайт о накопителях энергии
Графеновый аккумулятор
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.
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.
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:
Графеновый аккумулятор своими руками
Уже понятно, создать двухмерную структуру графена и закрепить его свойства – задача не из простых. Ученые всего мира работают над проблемой. Сделать в кустарных условиях графеновый аккумулятор невозможно.
Но усвоив, что слой углерода должен быть микроскопически тонким, мастера получают такой разными способами. Они истирют графит в тонкодисперсный порошок, производят химическую обработку, наносят его на подложку из алюминия. Предлагаем ознакомиться с одним из способов получения нужного состава.
Потребентся металлический сосуд с герметичной закрывающейся крышкой, с мешалкой. Миксер работает от асинхронного двигателя без перерыва 2 суток. В емкости смешивается в пену графитовый порошок с жидкостью Ферри. В полученной пене во взвешенном состоянии находятся микроскопические частицы графита. Высушить пену, собрать пыль, растворить ее в лаке для обработки алюминия – вот и готов «графен». Теперь состав нужно нанести на подложку из алюминия и строить магний-графеновый аккумулятор своими руками.
Есть способы сбора угольной пыли на липкую ленту, выжигание лучом лазера с получением чешуйчатого материала, растворение графита в смеси азотной и серной кислот. Высохший осадок выжигают в установке, получая легкие хлопья. Считают этот вид сажи графеном и работают с ним.
Видео
Предлагаем посмотреть видео и оценить один из способов получения гибкого графенового аккумулятора своими руками.
Что такое графеновые аккумуляторы, и какие у них перспективы
Ещё совсем недавно появление гибридных автомобилей, в которых сочеталось использование обычного двигателя внутреннего сгорания и электромотора, являлось чем-то невообразимым. Многие считали, что отказаться от ДВС невозможно, у них нет альтернативы.
Но сейчас электрокары стали привычным явлением. Такие машины встречаются повсеместно, а развитие технологий позволяет делать их всё более и более доступными.
Главной движущей силой в электромобиле является электрический двигатель. А питается он от специальных аккумуляторных батарей. Именно они являются тем самым компонентом, который производители стремятся улучшить и усовершенствовать. Главная задача заключается в том, чтобы аккумулятор мог дольше обеспечивать движение машины без остановки и дозарядки.
Пока ключевыми батареями выступают литиевые АКБ. Но у них может появиться серьёзных конкурент в виде графеновых аккумуляторов.
Что такое графен
Для начала нужно понять, какая основа, то есть база используется в случае с графеновыми АКБ.
Графеновые батареи, как и литиевые, являются тяговыми, а не стартерными, как на машинах с двигателями внутреннего сгорания.
Графен достаточно интересный и инновационный материал. Благодаря ему потенциально увеличится работоспособность питающих элементов электромобилей от нескольких сотен до тысячи проходимых километров без подзарядки.
Графен представляет собой кристалл углеводорода. Его атомы располагаются в единой плоскости. Толщина листа бесцветного материала равна толщине одного атома. Графен отличается повышенными показателями энергоёмкости и прочности.
Массовому появлению графена человечество обязано двум специалистам. Это Гейм и Новосёлов. Именно они совместными усилиями получили этот материал искусственным путём. В качестве подложки использовался оксид кремния.
В итоге вещество можно охарактеризовать как углеродную плёнку. Её толщина составляет примерно одну миллионную от толщины листа бумаги.
В настоящее время целый ряд компаний и специалистов работают над тем, чтобы получить возможность в крупных объёмах создавать рассматриваемый высокотехнологичный материал. Если этого удастся добиться, это можно будет считать огромным шагом на пути к революции в мире электроники.
На основе графена потенциально можно создать аккумуляторные батареи, компьютерные мониторы, полупроводниковые устройства и многое другое.
Устройство АКБ на основе графена
Теперь стоит рассмотреть особенности устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, поскольку именно в этой сфере могут применяться такие источники питания.
Интересно, что принцип работы ничем не отличается от того, как работают обычные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Здесь также протекают аналогичные электрохимические процессы. Но, разумеется, реакции внутри АКБ совершенно иные.
Это к вопросу о том, как устроен потенциально перспективный графеновый аккумулятор.
Рассматриваемый тип батарей можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами, поскольку по устройству они во многом похожи. Уже существует несколько технологий, позволяющих создавать графен-полимерные источники питания:
Многие эксперты уверены, что именно за счёт повышения автономного пробега удастся привлечь повышенное внимание к электрическим машинам и наконец-то запустить плавный переход от ДВС к электромоторам.
Чтобы создать графеновые АКБ, применяют литий. Но это не самый распространённый и часто встречающийся природный материал. Его запасов объективно недостаточно для того, чтобы покрыть спрос со стороны автопроизводителей. Потому инженеры активно работают над созданием устройств, способных обеспечить замену лития на магний.
Какие именно характеристики смогут на практике обеспечить графеновые аккумуляторы при оснащении электромобилей, пока спрогнозировать сложно. Но специалисты не сомневаются, что будущее за графеном.
Принцип работы
Далее немного о том, как работает и на чём основывается графеновый аккумулятор.
В действительности принцип работы рассматриваемого графенового источника питания практически не отличается от классического свинцово-кислотного аккумулятора. Разница лишь в электрохимических процессах, протекающих внутри корпуса. Здесь их можно сравнить с литий-полимерными АКБ.
Чтобы лучше понять принцип работы разрабатываемого графенового аккумулятора, стоит выделить 2 основные технологии.
Преимущество российской разработки в том, что оксид магния доступнее лития и при этом является менее токсичным компонентом.
Графен отличается высокими показателями электропроницаемости и имеет склонность к накапливанию электрических зарядов. Эти особенности позволяют за счёт графена добиться увеличения скорости движения ионов, и тем самым повышается потенциальная ёмкость источника питания.
Изначально, когда технологию только начали разрабатывать, к листам графена добавляли литий. Но происходила бурная реакция при контакте с водой, и возникали окислительные процессы, из-за чего реализовать схему не удалось.
Также литий-графеновые АКБ, как показали испытания, нуждаются в продолжительной зарядке. А это для электрокаров точно не подходит.
Всё это привело к тому, что разработчики переключились на магний-графеновые модификации.
Сильные и слабые стороны
Нелишним будет взглянуть на плюсы и минусы, характеризующие графеновые аккумуляторы и их перспективы развития.
Сильных сторон достаточно много. Среди них можно выделить такие:
Проблема в плотности. Она не позволяет создать достаточно компактные рабочие образцы. Потому серийных вариантов небольших АКБ на основе графена до сих пор не существует. Но это, скорее, касается перспектив использования в мобильных девайсах.
Для машин крупные размеры – не проблема. Потому тут стоит говорить о неплохих перспективах на будущее.
Учитывая то, что плюсы заметно превосходят минусы, стоит ожидать дальнейшего развития таких АКБ и стремительного внедрения графенового аккумулятора в электромобили.
Текущая разработка графеновых АКБ
Многие ожидают, что уже совсем скоро электрический автомобиль, то есть электромобиль, сможет без проблем преодолевать дистанцию в более чем 800–1000 километров, не требуя при этом остановки на подзарядку.
Сейчас запущено производство графена в солидных промышленных масштабах. Основным действующим лицом выступает компания Graphenano, которая базируется в Испании. Причём испанские инженеры уже опробовали АКБ на основе графена, цена которой на 70% ниже в сравнении с аналогами других компаний. Путём тестирования было доказано, что на ней электрокар способен проехать до 1000 км. А на полную зарядку уходит всего 7 минут.
При этом вес графеновой АКБ меньше литий-ионного источника питания со схожими характеристиками.
Ещё в 2015 году испанская компания организовала крупное предприятие, основной задачей которого было изготовление таких АКБ. На имеющихся мощностях удаётся создавать примерно по 80 миллионов рабочих ячеек за год работы. Официальная презентация новинки в виде графеновых АКБ была запланирована ещё на 2017 год. Но пока никто так и не увидел результата работ испанских специалистов.
В США также ведутся активные работы в этом направлении. Здесь стоит выделить компанию Real Graphene, которая недавно презентовала первую графеновую АКБ для мобильных гаджетов.
В Австралии ведущими разработчиками графеновой технологии выступают специалисты университета Monash. Они работали над вопросом стабильности АКБ, поскольку графен постоянно стремится вернуться в своё исходное состояние, то есть превратиться в графит.
Эту проблему решили за счёт превращения пластин графена в гель.
Это позволило избавиться от слипания пластин, плюс вещество находится в постоянном стабильном состоянии. Эта разработка открывает перспективы для использования гелеобразного графена в других отраслях. При этом для создания гелевого раствора не требуется затрачивать большие деньги и ресурсы.
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:
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.