Графеновые аккумуляторы своими руками

Информационный сайт о накопителях энергии

Алмаз, графит, древесный уголь – это все углерод в различных трехмерных кристаллических решетках. Но нас интересует новый вид кристаллов, двухмерный, плоский. Он назван графеном и имеет выдающиеся свойства. Расщепить кристаллы на молекулярном уровне удалось совсем недавно, в 2004 году. Огромный поверхностный заряд материала обусловлен плоской структурой. Для использования в электротехнике важны и другие свойства – отличная тепло- электропроводность, увеличение допустимой мощности микроэлектронных схем. При толщине поверхности 91*10 -12 м или 91 пикометра, на ней удерживается вес в 4 кг. Для аккумулятора важно, что тонкий слой графена принимает заряд мгновенно, и аккумулятор емкостью 55 А/ч заряжается за 8 минут.

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:

• модель FlyMod от компании ONBO Power;
• Dinogy Ultra Graphene 02 4S 80C – вторая доработанная модель;
• Thunder Power Adrenaline – лучшие модели для продолжительных полетов.

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.

Стремительное развитие электромобилей заставило ученых и инженеров заняться разработкой и созданием новейших АКБ. Последним достижением является графеновый аккумулятор, превосходящий своими характеристиками литиевые батареи.

Что это за новый материал графен

Кристалл углеводорода, атомы которого располагаются в единой плоскости, получил название «графен». Толщина такого тонкого листа углерода, не имеющего цвета, не превышает один атом. Этот материал отличается повышенной прочностью и высокой энергоемкостью.

Российский ученый А.Гейм, совместно с К. Новоселовым, смогли искусственным путем получить графен на подложке оксида кремния. Этот материал представляет собой углеродную пленку, толщина которой в 1000 000 раз тоньше, чем обыкновенный лист бумаги.

Сегодня во многих странах, исследователи, занимаются созданием технологического процесса по изготовлению этого передового материала. Начало его изготовления станет первым революционным шагом в современной электронике. Появится возможность на его основе создать новые типы устройств:

• Полупроводниковые приборы.
• Мониторы.
• Графеновые аккумуляторы.

Как устроен графитовый аккумулятор

Принцип работы графеновых аккумуляторов ничем не отличается от классических свинцовых аккумуляторов. В них также протекают электрохимические процессы. Конечно, реакция, проходящая внутри батареи, отличается от процесса, в основе которого лежит кислотный электролит.

Устройство такого аккумулятора напоминает литиевые полимерные аккумуляторы. Сегодня для изготовления графен полимерных аккумуляторов, разработан ряд технологических процессов.

В одном в качестве катода используются чередующиеся пластины графена, совместно с кремнием. Роль анода играет кобальтат лития. Другая технология основана на замене кобальтата лития на дешевый оксид магния. Стоимость графенового АКБ с магнием намного дешевле, чем аналогичная стоимость аккумулятора с литием. Создать такой аккумулятор своими руками невозможно. Слишком сложная технология изготовления, не рассчитанная на бытовые условия. К преимуществам таких АКБ относятся:

• Малый вес.
• Компактные размеры.
• Высокая проводимость.
• Длительный срок эксплуатации.
• Повышенная износостойкость.
• Отвечает требованиям экологии.
• Емкость — 1кВт/ч.
• Возможность настройки нужных параметров.
• Невысокая стоимость графена.
• Трехмерные кристаллы углерода постоянно встречаются в природе.

К сожалению, кроме большого числа положительных качеств, этот материал отличается рядом серьезных недостатков. Исследования показали, что графеновые батареи обладают плотностью, которая не годится для аккумуляторов мобильных гаджетов. Изделие получается слишком большим. Сегодня ученые пытаются создать прибор с меньшими размерами, но пока еще не удалось получить рабочий образец.

Магний графеновый аккумулятор заинтересовал передовые компании, выпускающие автомобили. Установленный на электромобиль, аппарат увеличил пробег машины до 1000 км. Причем для зарядки такой батареи потребуется около 10 минут. На АЗС нужно будет установить специальные зарядные станции.

Современные электромобили отличаются от легковых машин небольшим пробегом. Заряда батареи хватает на небольшой пробег. Графеновые батареи легко решают эту проблему, пробег увеличивается до 1000 км. Такие аккумуляторы сделают электромобили более популярными и востребованными.

Для изготовления графеновых батарей используется литий. В природе литий встречается не слишком часто, его запасы не способны удовлетворить мировое автомобилестроение. Сегодня инженеры разрабатывают приборы, в которых магний встанет на замену лития.

Посмотрите интересное видео про самодельный графеновый аккумулятор.

Как движется разработка современных графеновых аккумуляторов

Если говорить о промышленных масштабах, то разработкой этого материала занимается испанская фирма Graphenano. Ее инженерам удалось создать графеновую батарею, стоимость которой на 70% ниже, чем у других производителей. Тестирования нового аккумулятора показало увеличение пробега электромобиля до 1000 км. Его полная зарядка происходит в течение 7 минут. Вес такой батареи намного меньше массы литий-ионного аналога, имеющего похожие характеристики.

В 2015 году фирма Graphenano создала в Испании большое предприятие, занимающееся производством графеновых аккумуляторов. В открытии участвовали инженеры фирмы Grabat Energy, а также ученые Кордовского университета. Мощности завода позволяют выпускать 80 миллионов ячеек в год. Выпуск новых графен-полимерных аккумуляторов ожидался в начале 2017 года. Однако, изделия выпущенного на этом предприятии, пока еще никто не видел.

Руководство Graphenano утверждает, что новые графеновые батареи для электромобилей, будут пожаробезопасными, полностью защищенными от возникновения короткого замыкания. Специальный полимерный материал, который необходим для создания прибора, разработали немецкие ученые из института TUV, совместно с учеными из испанского университета Декра.

Немецкие концерны уже начали сегодня тестировать на собственных автомобилях продукцию Graphenano.

США также занимались созданием таких изделий. Основная работа касалась увеличения емкости батареи, достижения быстрой зарядки. Принцип действия таких АКБ аналогичен литиевым изделиям. Емкость батареи зависимости от числа ионов, находящихся в кристаллической решетке анода (катода).

Активность движения таких ионов оказывает серьезное влияние на быстроту зарядки. Для достижения большей ёмкости, ученые установили между слоями графена специальные кремниевые кластеры. Чтобы скорость заряда стала намного быстрее, в пластинах материала были сделаны отверстия, величиной 15–20 нанометров. Они способствовали ускорению движения ионов лития

Ученые австралийского университета Monash, при разработке графеновой батареи, стремились достичь стабильного состояния аккумулятора. Дело в том, что это материал постоянно стремится превратиться в обыкновенный графит. Если это происходит, уникальные характеристики полностью исчезают. Австралийским учёным удалось решить эту проблему. Они превратили графеновые пластины в водянистый гель. По их мнению, если аккумулятор будет состоять из такого геля, батарея будет заряжаться в течение нескольких секунд.

Ученые университета Monash, решили поместить этот материал в гелиевый раствор. В результате, пластины перестали слипаться, стало поддерживаться стабильное состояние вещества. Такие изменения позволили использовать материал и для создания других конструкций. Для получения гелия применялось два компонента:

Производство гелиевого раствора не требует больших финансовых затрат. Аккумулятор на таком растворе отличается сильным электрическим зарядом, который на порядок превосходит аналогичные показатели литий-ионных АКБ. Такие передовые разработки обещают коммерческий успех, однако серийных образцов до сих пор нет.

В России разработка графеновых аккумуляторов связана с использованием магния, который должен заменить литий. Российские ученые считают приоритетным направлением применение графеновых изделий в автомобилестроении, ветряной или солнечной энергетике.

Разработкой новейших аккумуляторов для электромобилей в России, занимается компания «Конгран». Инженеры пытаются создать прибор, мощность которого будет намного превышать все имеющиеся, современные аналоги. Причем стоимость таких устройств будет гораздо дешевле.

Российские ученые предложили устанавливать катод, сделанный из гипероксидированного графена. Анод должен состоять полностью из чистого магния. Все аккумуляторы работают по одному принципу. В них происходит реакция окисления вещества и его дальнейшее восстановление.

Для проведения такой реакции полностью подходит магний. Он стоит намного меньше лития. Это вещество не имеет недостатков, характерных для лития. К примеру, на воздухе литий начинает мощную реакцию с водой, он очень сложен для утилизации. Магниевый анод придает такой батареи большую энергетическую емкость. Технологический процесс добычи магния аналогичен получению алюминия. Довольно часто магний находят в глине.

Перспективы графена

Массовая эксплуатация изделий из такого материала приведет к созданию новых отраслей промышленности, откроет огромные перспективы для научных разработок. Такие изделия можно будет использовать на производстве, а также для хозяйственных целей. Крупное производство такого энергоносителя, позволит создать:

• Производственные линии, изготавливающие этот новый материал.
• Новые электромобили.
• Специальные электрозаправки.
• Открытие электростанций.
• Компактные ЭВМ.
• Улучшить экологическую составляющую автотранспорта.

Заключение

Сегодня можно смело утверждать, что за графеновыми аккумуляторами стоит большое будущее. Это наиболее перспективное направление, которым занимаются крупные мировые державы. Очень скоро мир увидит серийные образцы таких АКБ. Характеристики этих новейших систем позволят электромобилям серьезно потеснить автомобили, оборудованные ДВС.

В мегаполисах улучшится экология, воздух станет чище, исчезнут вредные выхлопы, уменьшится использование углеводородов. Автомобилестроение получит новый толчок, ведь придется поменять всю технологию изготовления автотранспорта, станут намного эффективнее солнечные электростанции.

В ближайшем будущем, ученые смогут создать устройства, основой которого будет графен. Эти системы будут отличаться маленькими габаритами, огромным запасом энергии, для установки в гаджеты и мобильные телефоны.

Видео на тему графеновых аккумуляторов

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.

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.

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.

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