Опубликовано

Графеновый аккумулятор для электромобиля

Графен – революционный материал 21 века

В 2004 г россияне Андрей Гейм и Константин Новоселов получили новый материал на базе оксида кремния. Работая в Манчестерском университете, им удалось создать стабильную двухмерную пленку с удивительными параметрами. Материал в миллион раз тоньше обычного бумажного листа. При этом удалось измерить электропроводимость, а также изучить эффекты Холла и Шубникова-де Гааза. Оказалось, что полученная пленка стала тончайшим и прочнейшим материалом с наивысшим показателем электропроводности. Перспективу графена успели оценить бизнесмены в разных странах, выделив на дальнейшие исследования несколько миллиардов долларов. В ближайшем будущем материал способен совершить переворот в таких сферах, как микроэлектроника, очистка воды и производство аккумуляторных батарей.

Недостатки аккумуляторов электромобилей

Сторонников экологичного транспорта с каждым годом становится больше. Многих потенциальных покупателей смущают сложности с обслуживанием аккумуляторной батареи, которая является движущей силой электрокара. Литий-ионные батареи не способны выдерживать длительные пробеги машины без дополнительной зарядки. Поэтому такой транспорт смело можно использовать только в черте города. Не решен вопрос быстрой подзарядки батареи, из-за чего автомобилист может надолго задержаться в дороге. Использование конденсаторов является одним из вариантов решения этих проблем. Но они проигрывают традиционным аккумуляторам в долговечности. Разрушение прибора происходит после небольшого количества циклов зарядки и разрядки.

Графеновые источники тока

В разных странах мира ученые активно занялись разработкой аккумуляторов и конденсаторов на основе графена. Наиболее перспективно выглядит батарея, созданная испанскими инженерами. Она легче аналогичных литий-ионных в два раза, при этом стоимость новинки получилась на 70% ниже. Полная зарядка графенового аккумулятора обеспечивает электрокару пробег в 1000 км. У традиционных батарей для электрокаров емкости хватает только на 200-300 км. пробега. А зарядить «севший» инновационный аккумулятор можно всего за 8 мин. Уже несколько автопроизводителей из Германии провели тестирование новых источников тока. Сегодня испанская компания Graphenano производит графен в промышленных масштабах. В 2015 г в г. Екла был запущен завод, который будет производить графеновые аккумуляторы. Он занимает 7 тыс. кв. метров, где удалось разместить 20 сборочных конвейеров. Первые графеновые аккумуляторы должны появиться на свет уже в 2016 г. Специалисты Graphenano отмечают еще несколько интересных особенностей наноаккумуляторов. Так как в процессе работы не выделяется газ, то приборы будут пожаробезопасными. Аккумуляторы способны выдержать даже короткое замыкание. Испанцы уже успели заключить договора на поставку графеновых батарей многим известным автомобильным и аэрокосмическим компаниям. Ученые Южной Кореи пошли по другому пути. Они стали использовать графеновую пленку для усовершенствования конденсаторов. Им удалось получить в лабораторных условиях суперприбор, который быстро накапливает энергию и способен выдержать несколько тысяч циклов заряда и разряда. Несколько лет назад применение графена казалось делом отдаленного будущего. Но уже сегодня практическое применение инновационному материалу пытаются найти крупнейшие корпорации (Samsung, IBM) и коммерческие исследовательские лаборатории. Многие специалисты предсказывают появление промышленных источников тока на базе графена в ближайшее десятилетие. Видеообзор электромобиля тесла:

На состоявшейся 4 февраля презентации были показаны образцы графеновых батарей для велосипедов, мотоциклов и АКБ для дома.
Это новый мировой тренд, по заявлению компании такие батареи строятся по модульному принципу из отдельных секций по 4 кВт/ч каждая и в сумме могут достигать 24 кВт/ч. От китайского партнера выступил, Nan Cunhui . Президент и основатель CHINT. Он сообщил, что в Китае будет открыто при государственной поддержке направление по исследованию графена.
Без сомнения, его присутствие явилось очень важным, так как г-н Cunhui занимает серьёзное положение в Китае в энергетическом секторе. Предприниматель является основателем этой группы и включен в список Forbes, 121 самых богатых людей в Китае , и 1250 в мире.
Президент CHINT в своем кратком выступлении рассказал, что в этом году взрыв инвестиций в R & D в Китае в рамках сектора графена и правительство будет инвестировать 700 млн евро в различные проекты. Такая поддержка позволила им подписать это партнерство с Graphenano. Технология, которая обеспечивает широкий диапазон возможностей. От хранения энергии, до солнечных панелей.
На презентации были показаны сертификаты TUV и лабораторных испытаний.


Ранние данные показывают плотность энергии 700Wh / кг. При этом, при тестировании в лаборатории в некоторых клетках удалось достичь показателя в 1200 Wh / кг. Важный вопрос это конечно количество циклов заряда-разряда графеновых клеток без серьёзных потерь ёмкости. Испытания, проведенный TUV и DEKRA, с постоянными циклами 0% до 100%, и наоборот показали, что после 400 циклов не было замечено каких-либо потерь мощности. Также была доказана возможность быстрой зарядки большими токами без риска для АКБ.
Был проведен тест где добились 100C в ячейке 300 мАч . Это указывает на то, что в АКБ электромобиля заряд может превышать 4С или 5C, это открывает дверь возможностей для ультрабыстрой перезарядки без риска повредить батарею. К сожалению так и не были раскрыты соглашения с автопроизводителями из-за вопроса конфиденциальности. Производители все еще ​​покупают другие марки батарей, и должны сохранять тайну. Но это может означать, что подписаны соглашения с крупными европейскими группами, американцев и азиатов. Со сроками промышленного производства компания пока высказывается осторожно. По их словам первая нитка конвейера завода в Yecla может быть запущена в этом квартале. Но основная цель — запустить завод на полную мощность будет достигнута не так скоро. Планируется 20 конвейерных ниток для сборки 80 млн аккумуляторных клеток в год. На вопрос, когда мы сможем увидеть такие батареи в автомобилестроении, представитель Graphenano ответил что в ближайшее время компания начнет поставлять клетки для производителей, чтобы начать тестирование. Период тестирования занимает от 12 до 18 месяцев , после чего АКБ будут полностью проверены и сертифицированы для серийного производства и монтажа бизнес-моделей. Но эти сроки зависят от каждого производителя.

Как мы видим в инфографики Graphenano, теперь они будут способны производить батарею мощностью 93 кВт.ч , занимающую то же пространство, что существующая на сегодня литий-ионная мощностью 70 кВтч. Это на 32% больше , а также с меньшим весом.
По шкале тот же автомобиль будет весить от около 2115 килограммов до 1925 килограммов. На 13% меньше . Согласно информации, клетки будет весить всего 89 кг на графене. Резкое сокращение.
Эти усовершенствования позволят автомобилю проехать от 400 километров, которые могут быть достигнуты в настоящее время, до 598 километров с графеновой батареей . Увеличение автономии на 49%.

одна клетка АКБ

Развитие электротранспорта подтолкнуло исследователей новых технологий к созданию альтернативных источников питания. Одним из таких видов стал аккумулятор с графеновыми электродами. Рассмотрим, что это такое, принцип работы и устройство.

Что такое графеновый аккумулятор

Благодаря открытию углеводородного материала с кристаллами толщиной в один атом, у исследователей возник вопрос создания совершенной аккумуляторной батареи с улучшенными техническими характеристиками.

Устройство источника питания

Принцип работы графеновых источников питания многим напоминает распространенные кислотные аккумуляторы. В процессе протекания химических реакций происходит выработка и накопление электрического тока.

Устройство источников питания на основе графена напоминает литий полимерные АКБ. В настоящее время для того, чтобы создать графен полимерный аккумулятор разработано несколько специальных технологических процессов.

В роли положительного электрода выступает материал, состоящий из пластин графена и кремния. Отрицательным электродом служит в одном случае вещество на основе кобальта, во втором магниевый оксид, имеющий пониженную стоимость. Изготовление таких источников питания в домашних условиях невозможно ввиду сложности технологии производства.

Виды

Современные технологии рассматривают два основных направления по разработке графеновых источников питания:

  1. Лития кобальтат применяется в качестве отрицательного электрода. В роли положительно заряженного электрода выступает материал, состоящий из монопленки и графена. Применение таких аккумуляторов не распространено так как их производство обусловлено повышенными затратами, помимо этого, соли на основе лития обладают токсичностью.
  2. Во втором варианте исполнения данных батарей в качестве отрицательного электрода применяют соединения на основе магния. Такие источники питания обладают повышенными полезными характеристиками и имеют пониженную стоимость. Используемые вещества в таких батареях не являются токсичными.

Интересно знать! Магний графеновые батареи являются наиболее перспективным направлением при разработках в этой отрасли.

Развитие производства графеновых батарей

В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2017 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.

Интересно знать! Испания является единственной страной, в которой графеновый аккумулятор производится серийно.

Американские и европейские разработчики находятся на стадии научно-исследовательской работы. Однако ученые из Австрии значительно продвинулись вперед. У них получилось разместить монопленку графена в оболочку из гелия, в результате чего стало возможным сохранить пластины на стабильном расстоянии друг от друга. В результате было предотвращено возможное слипание.

Российские разработки направлены на создание магний графенового аккумулятора повышенной емкости с малыми размерами. О массовом производстве пока информации нет.

Графеновый аккумулятор в настоящее время можно считать новым поколением источников питания. В ближайшем будущем станет возможным заменить автомобильную технику с двигателем внутреннего сгорания на экологически чистый транспорт с питанием от графеновых батарей.

Графеновый аккумулятор на 6000 мАч заряжается всего за 20 минут

Телефоны становятся всё больше, экраны всё крупнее, а корпуса при этом стремительно теряют толщину. Всё хорошо, но хочется, чтобы телефоны жили подольше без подзарядки. Я очень жду, когда наконец решат проблему с аккумуляторами и придумают, как продлить время работы. Да, есть быстрые зарядки, но они помогают частично: на полную зарядку телефона всё равно уходит час-полтора.

Но впереди нас ждут большие перемены. Мы уже писали в новостях о том, что Samsung готова перейти на принципиально новые батареи, а ещё стартап Elecjet на Kickstarter объявил о запуске производства графеновых аккумуляторов. Первый в мире powerbank такого типа полностью заряжается всего за 20 минут, но для его зарядки требуется мощный блок питания до 60 Вт. В свою очередь аккумулятор выдаёт до 40 Вт, так что он особенно хорош в паре со смартфонами, где поддерживается быстрая зарядка. iPhone 8 Plus от него заряжается полностью за 1,5 часа.

У аккумулятора 2 разъёма USB Type-A: один обычный, другой с QuickCharge 3.0, а также USB Type-C. Ёмкость батарейки относительно небольшая, 6 000 мАч, а сама она довольно толстая. Такие небольшие издержки можно пережить, тем более стоит powerbank стоит $59 и появится в продаже в апреле следующего года.

Интересная особенность powerbank’а: он заряжается от разных блоков питания. Не только от универсального USB Type-C, но и от зарядок для MacBook с MagSafe, Dell, Lenovo, HP или Nintendo Switch через переходник.

Оформить предзаказ на него можно вот .

В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

Литий-ионные батареи доминируют на рынке из-за их малого веса и высокой плотности накапливаемой энергии.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов. Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев — кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius, созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года – министр энергетики США).

Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния, который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок. В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния, которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.

Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *