Что такое графеновые аккумуляторы для автомобилей

Преимущества графеновых аккумуляторов

1. Скромная масса, что достигается посредством использования лёгких материалов.
2. Передовые технологии позволили добиться и компактности.
3. Высокий показатель внутренней проводимости, который переигрывает любой доступный на данный момент полупроводник.
4. Мощность графена не идёт на спад по причине частых зарядок/разрядок.
5. Высокая внутренняя ёмкость и стойкость к износу.
6. Увеличенный срок эксплуатации.
7. Можно регулировать основные параметры.
8. Относительно низкая цена.
9. В природе кристаллы углеводородов имеют широкое распространение. На данный момент графен изготавливают в промышленных масштабах, причём по довольно простой методике.
10. Солидные показатели водонепроницаемости и прочности.
11. Графен экологически чистый материал, не оказывающий никакого негативного влияния на окружающую среду.
12. Повреждённые участки быстро восстанавливаются.
13. Высокая скорость зарядки.

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.

Графен — дело тонкое

— Если верить исследованиям маркетологов, в ближайшие двадцать лет мировой рынок гибкой электроники превысит 300 миллиардов долларов, — рассказывает гендиректор компании «Графенокс», старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН Сергей Баскаков. — В миниатюрных и гибких девайсах металлические провода исключены. Их место займут напечатанные на тонких полимерных подложках проводящие чернила. В современных чернилах для создания электропроводимости используют металлические микро- или наночастицы (серебро, медь, никель и другие). Мы заменили их частицами графена, которые имеют ряд преимуществ: они легче и дешевле, обладают гибкостью и эластичностью, не окисляются со временем. Графеновые чернила применимы для печати NFC и RFID-меток, гибких шлейфов и электрических плат. На их основе можно создавать антистатические, экранирующие и нагревательные покрытия практически на любом материале: полимерах, бумаге, тканях».

Графеновые частицы получают из природного графита, который расщепляется физико-химическими методами вплоть до одинарных слоев. Различные методы дают на выходе разный материал: частицы могут отличаться поперечными размерами (от сотен нанометров до десятков микрометров), толщиной (от одного до нескольких графеновых слоев), степенью окисления, наличию дефектов, примесей и т. д. По словам ученых, для каждого приложения нужно проводить специальную НИОКР и синтезировать графеновые частицы целевой модификации. Например, для модернизации электродов литий-ионных батарей в первую очередь нужны тонкие, хорошо проводящие частицы с большой удельной площадью поверхности. Для армирования бетонов толщина и электропроводность графеновых частиц играет меньшую роль, однако они должны быть модифицированы для лучшего сцепления внутри бетонной смеси.

 Использование графенов в качестве армирующих добавок в бетонные и асфальтобетонные смеси — еще одно перспективное направление развития. Внедрение графена в бетон приводит к увеличению его прочности на 30%. На столько же возрастает и скорость набора прочности бетона, что позволяет сократить сроки строительства

— Сейчас мы сотрудничаем с несколькими технологическими стартапами, — рассказывает Максим Рыбин. — Компания «Фэском», резидент «Сколково», производит системы накопления электроэнергии на базе литий-ионных ячеек с добавками микрочастиц графена для увеличения их удельной емкости, количества циклов заряда/разряда и глубины разряда

Команда разработчиков из Электрогорска трудится над созданием смазочных материалов для велосипедов с применением присадок из графеновых частиц, которые уменьшают трение и, как следствие, увеличивают срок службы деталей и период между техосмотрами, что важно для шоссейных велогонок. Графеновые смазки успешно прошли испытание этим летом с участием ведущих российских спортсменов: команда SlowFlowTeam подтвердила эффективность применения графеновой смазки на велотреке, а Петр Винокуров, многократный призер всероссийских соревнований по скоростному спуску, одобрил использование смазки в экстремальных условиях

Вывод на рынок графеновых велосмазок запланирован на следующий год под брендом Bike Therapy.

Использование графенов в качестве армирующих добавок в бетонные и асфальтобетонные смеси — еще одно перспективное направление развития, считает Максим Рыбин. Внедрение графена в бетон приводит к увеличению его прочности на 30%. На столько же возрастает и скорость набора прочности бетона, что позволяет сократить сроки строительства. Интерес к графеновым материалам проявляют производители тепло- и электропроводящих пластиков для энергетических и климатических систем, а также компании, выпускающие антикоррозийные покрытия, добавление графенов в которые улучшает эксплуатационные характеристики на 25–30%.

— Совместно с компанией «Графенокс» мы планируем запустить производство мощностью 500 килограммов графеновых частиц в месяц к середине 2021 года, — говорит Максим Рыбин

— Уже сейчас понятно, что основными нашими клиентами будут инновационные предприятия, которым важно получить конкурентное преимущество на старте. Но для серьезного развития графеновых технологий необходимо участие крупного бизнеса

Российским графеновым компаниям и лабораториям есть чем его заинтересовать. Совместные усилия помогут сгладить кривую хайп-цикла и ускорить выход российской графеновой промышленности на «плато продуктивности».

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.

Особенность графеновых аккумуляторов – они мало весят, при этом имеют рекордную емкость

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.

Их связь настолько высокоплотная, что вещество имеет высокую степень жесткости и огромный запас теплопроводности.

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.

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:

• исходный материал доступный и распространённый;
• графен выпускают в больших объёмах;
• метод получения материала достаточно простой и легко реализуемый;
• незначительный вес, при котором 1 м² материала весит около 1 грамма;
• экологичность и безопасность для окружающей среды;
• высокая прочность;
• водонепроницаемость;
• способность быстро восстанавливать повреждённые участки;
• показатели проводимости выше любого современного полупроводника;
• высокие показатели удельной ёмкости;
• возможность потенциально проехать более 1000 км без подзарядки;
• долговечное вещество;
• независимость от циклов заряд–разряд;
• высокая скорость зарядки.

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.

Магазин наноматериалов

— Меня охватил азарт: научиться синтезировать CVD-графен максимально хорошего качества, — рассказывает Максим Рыбин. — Со временем им заинтересовались коллеги из ИОФ РАН и других организаций. Появились заказы синтезировать графеновые пленки под конкретные научные задачи. Когда я понял, что способен производить CVD-графен, не уступающий мировым аналогам и в полтора раза дешевле, я зарегистрировал научно-производственную компанию «Русграфен» и открыл онлайн-магазин наноматериалов «Русграфен.Маркет».

Основой бизнеса стала разработанная Максимом Рыбиным и коллегами из лаборатории спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН технология синтеза CVD-графена с контролируемым числом слоев (от одного до нескольких десятков) — ключевым параметром, определяющим уникальные физико-химические свойства графеновых пленок. Технология воплощена в компактной установке Graphene Submarine, которая позволяет в автоматическом режиме синтезировать CVD-графен на металлических подложках размером 30 на 60 миллиметров. Целевая аудитория установки — научные коллективы. Для университетов и школ спроектирована специальная версия Graphene Submarine без использования легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов: метана, ацетилена и газообразного водорода.

 Графеновые чернила применимы для печати NFC и RFID-меток, гибких шлейфов и электрических плат. На их основе можно создавать антистатические, экранирующие и нагревательные покрытия практически на любом материале: полимерах, бумаге, тканях и проч

Научные лаборатории стали первыми клиентами компании «Русграфен». Например, в лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ используют CVD-графен для исследования плазмонных эффектов и создания фотодатчиков терагерцового диапазона. Сотрудники лаборатории лазерной оптики поверхности ИОФ РАН недавно напечатали графеновую пленку на кремниевой подложке с помощью лазерно-индуцированного переноса. Эта относительно простая технология может заменить трудоемкие литографические методы создания графеновых структур в микроэлектронных устройствах.

Помимо графена магазин наноматериалов пополняется продукцией лабораторий-партнеров. Так, лаборатория графеновых нанотехнологий Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова синтезирует для «Русграфен.Маркета» атомарно тонкие пленки дисульфидов молибдена (MoS₂) и вольфрама (WS₂). В отличие от полуметалла с нулевой запрещенной зоной графена они обладают полупроводниковыми свойствами и применяются для разработки тонкопленочных транзисторов и других устройств слаботочной наноэлектроники.

— Применений у CVD-графена множество: гибкие и прозрачные электроды, мембраны и сенсоры, логические элементы и ячейки памяти, оптоэлектронные устройства и нелинейных оптические элементы для лазеров, — говорит Максим Рыбин. — Словом, этот материал востребован в высокотехнологичных областях электроники, которые в нашей стране пока не очень развиты, а к выходу на зарубежный рынок компания «Русграфен» только готовится. Текущий спрос на CVD-графен со стороны российских ученых и исследовательских организаций обеспечивал лишь штучные продажи в месяц. Поэтому в 2018 году мы объединили усилия с компанией «Графенокс» из Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) и сосредоточились на производстве других видов графена — порошков и паст из графеновых частиц. Их используют для упрочнения бетонов, модернизации литий-ионных батарей и создания электропроводящих чернил.

Пленки, содержащие разное количество слоев графена: непрозрачные образцы — 50 слоев, прозрачные — один слой. Пленки получены на оборудовании компании «Русграфен»

Мария Ромакина

Зарядка без розетки

В будущем электроэнергию для смартфонов можно будет вырабатывать даже посреди лесной глуши. Исследователи из США и Китая разработали крошечные генераторы, которые способны использовать для зарядки даже самые слабые вибрации. Эти устройства состоят из поливинилиденфторида (PVDF) — материала, генерирующего ток при давлении и деформации. Как правило, фторопласты используются для уплотняющих покрытий и фильтров, а также находят применение в динамиках и микрофонах.

Новые процессоры поглощают энергию радиоволн и обмениваются при этом сообщениями, они не нуждаются в электроэнергии

Для производства генераторов в полимерную массу вводят частицы оксида цинка, которые затем растворяют соляной кислотой. В результате остается губчатая структура, изготовленная из мягкого и гибкого материала с крупными отверстиями, являющаяся чрезвычайно чувствительной к колебаниям всех видов.

Наногенераторы на базе PVDF подходят для любого современного смартфона

В конце производственного процесса получается PVDF-пленка, на которую с обеих сторон наносится тонкая медная фольга в качестве электродов. Если наногенераторы устанавливаются на смартфон, достаточно, чтобы устройство во время поездки просто лежало на пассажирском сиденье. Вибрации заряжают аккумулятор: при частоте колебаний 40 Гц прототип достиг пиковых значений 11 В и 9,8 микроампер.

Графен в массы. Или как зарядить электромобиль за 10 минут на 1000 км))

Прощай бензин, на испанском аккумуляторе можно будет легко проехать 1000 километров

Испанские инженеры разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на 77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км. Графеновые батареи уже взяли на тестирование две из 4-х немецких автомобильных компаний.

Электромобиль, конечно, очень привлекательный вид транспорта. Транспортное средство, которое не загрязняет окружающую среду, создает меньше шума, и ездит на дешевом топливе, это, конечно, очень интересно. Хотя они и не достигают мощности и скорости транспортных средств на ископаемом топливе, но все же они удовлетворяют основные транспортные потребности большинства людей.

Тем не мене современные электромобили имеют 2 основных недостатка: очень долгое время зарядки и короткое время автономной работы. И хотя литий-ионные аккумуляторы, которыми укомплектованы текущие электромобили, постоянно улучшаются, для полной их зарядки требуется несколько часов, а автономия в перемещении едва достигает 300 километров.

Эти ограничения сможет убрать новый графен-полимерный аккумулятор разработанный испанской компанией Graphenano совместно с исследователями из университета Кордобы.

Компания Graphenano является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так что они знают, что делают. И правда в том, что графенный аккумулятор может сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он весит половину литий-ионного аккумулятора, он стоит на 77% меньше, заряжается за восемь минут, и предлагает автономность езды до 1000 километров.

4 главных преимущества графена Графен — это чудо-материал, который выявили лишь в 2004 году в листе углерода толщиной в один атом. Это в миллион раз тоньше, чем лист бумаги.

Графен является чрезвычайно легким: лист одного квадратного метра весит всего 0,77 грамма. Он прозрачный, гибкий, водонепроницаемый, не загрязняет окружающую среду, и в 200 раз прочнее стали. Кроме того, он сверхпроводимый: его проводимость в 100 раз быстрее, чем у современных кремниевых чипов.

Графен проводит тепло, вырабатывает электроэнергию и меняет свои свойства в сочетании с другими материалами. Он настолько совершенен, что даже атомы гелия, мельчайшие в мире, в нем могут пересекаться. И еще его очень легко восстановить после повреждений.

Как это не странно, графен недорогой в производстве, и очень распространен в природе. Все страны имеют его в изобилии.

Компания Graphenano начнет производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые будут тестировать их на своих автомобилях.

Из-за своей плотности, графеновые батареи слишком велики для использования на мобильных устройствах, но Graphenano работает над тем, чтобы уменьшить их размер. Если это им удастся, то смартфон можно будет заряжать всего за 5 секунд.

Россия

Новые аккумуляторы станут шагом вперед по сравнению с наиболее эффективными на сегодняшний момент ионно-литиевыми батареями, рассказал корр.ТАСС один из руководителей проекта, директор компании «Конгран» Семен Червонобродов. По его словам, мощность новых батарей станет на порядок выше, а стоимость — в разы меньше.

Ученые предлагают для аккумулятора магниевый анод и катод из гипероксидированного графена — одного передовых наноматериалов, созданных ими в этом году. В катоде сочетается принцип химической реакции окисления-восстановления, общий для всех аккумуляторов, с доступностью большой поверхности электрода для электрических зарядов, на которой основаны другие накопители энергии — суперконденсаторы.

«Магний на мировом рынке в 24 раза дешевле лития, — подчеркнул научный руководитель проекта, профессор Владимир Гольдберг. — И плюс к тому, магниевый анод лишен ряда недостатков, присущих литию. Литий токсичен, это щелочной металл, который реагирует с парами воды прямо в воздухе. Утилизация литиевых аккумуляторов очень тяжелая. У магния ничего этого в помине нет. Наконец, у магниевого аккумулятора в два раза больше возможности по накоплению энергии на единицу объема».

Причем, ни магний, ни графен не являются дорогими компонентами.

Правда, применение магния и графена сопряжено с целым рядом сложностей. Подборкой подходящего электролита, «заливки для аккумулятора», его создатели заняты до сих пор. Тем не менее, они рассчитывают через год-полтора начать разговор с крупными компаниями о совместных разработках и производстве.

Появление по-настоящему эффективных и недорогих аккумуляторов открывает революционные перспективы во многих сферах жизни. Электромобиль, наконец, станет массовым и потеснит автомобиль на дорогах. Это резко повысит чистоту городского воздуха, а также приведет к снижению потребления нефти на транспорте.

Последнее может повлиять на цены энергоносителей на мировом рынке, признают изобретатели. Однако подчеркивают, что создавать супераккумуляторы необходимо, этим активно занимаются в мире, и Россия должна быть на уровне современных достижений. Кроме автомобильной революции, гораздо легче станет применять ветряные двигатели, солнечные батареи и другие «собиратели природной энергии», которые нуждаются в ее надежном накопителе. Резко возрастет запас энергии у мобильных телефонов, портативных компьютеров и прочей аппаратуры.

Созданием супераккумуляторов занимается коллектив Института биохимической физики Российской академии наук (ИБХФ РАН имени Н.М. Эмануэля) во главе с директором, член-корреспондентом РАН Сергеем Варфоломеевым. На конкурсе, проведенном Федеральным агентством научных организаций (ФАНО) и фондом «Сколково», представленный Варфоломеевым проект занял второе место. Учрежденная ИБХФ компания «Конгран» («Конденсатор графеновый Академии наук»), резидент инновационного центра Сколково, удостоена гранта в размере 5 млн рублей.

Графеновые электронакопители

Разработанные в настоящее время графеновые аккумуляторы работают на электрохимическом принципе, чем, по факту, не отличаются от более распространённых: свинцовых или литиево-ионных аккумуляторов. Но в качестве катода в них применяется угольный кокс, так как этот материал представляет собой практически чистый углерод.

Кроме того сейчас существует два основных направления развития графеновых аккумуляторов энергии:

1. Кобальтат лития – LiCoO2 – в качестве анода, а катод составить из монопленок кремния и графена. Но при высокой эффективности стоимость таких устройств достаточно высока, кроме того соль лития крайне токсична;
2. Вторым вариантом развития является использование в качестве анода оксида магния, магний графеновый аккумулятор обладает более высокими энергетическими характеристиками, чем все, что производилось ранее, хотя он и менее эффективен, чем кобальтат лития, но зато намного более дёшев и не столь опасен.

Оба пути развития имеют право на существование, хотя наиболее перспективным в современных условиях стоит признать все-таки магниево-графеновый аккумулятор.

Углерод

Графеновые аккумуляторы обладают следующими преимуществами перед традиционными:

• меньший вес и габаритные размеры (в будущем, современные устройства довольно громоздки);
• высокая проводимость графена;
• большой ресурс и износостойкость материала;
• экологическая безопасность;
• удельная емкость на уровне 1кВт/ч на килограмм веса;
• способность регулирования характеристик;
• доступность и дешевизна сырья, углерод в трёхмерных кристаллах широко распространён в природе.

Несмотря на все преимущества графена, в настоящее время такие аккумуляторы применяются лишь в виде прототипов в автомобилестроении. Создание небольших и мощных аккумуляторов тормозит то, что учёные не могут создать мини-батарею с использованием этого материала.

В то же время использование графена на автомобиле, точнее электромобиле Tesla Model S, увеличило дальность его хода до 800-1000 км. Также на полную подзарядку всей аккумуляторной батареи требуется лишь 10-12 минут. Но преградой на пути распространения графена в этом направлении стоит высокая стоимость эксплуатации электромобилей и отсутствие разветвлённой сети зарядных станций.

Тесла С

При испытаниях на электромобиле низкую безопасность показали литиево-графеновые аккумуляторы – при взаимодействии воды и лития происходит бурная взрывная реакция. Кроме того, его запасы в природе невелики, что также негативно влияет на его распространение. По этой причине основная часть работ в этом направлении ведётся с магниевым аккумулятором.

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам данных АКБ следует отнести:

• уменьшенный вес изделия, за счет применения легких металлов;
• с использованием современных технологий удалось добиться создания источников питания с малыми размерами;
• повышенное значение внутренней проводимости;
• увеличенный срок службы;
• повышенное значение внутренней емкости и устойчивости к износу;
• имеют возможность регулировки основных параметров;
• сравнительно малая стоимость;
• распространенность кристаллов углеводородов в природе.

К минусам при использовании графеновых АКБ производители относят:

• Имеют плотность не пригодную для питания мобильной электроники. Аккумулятор, изготовленный для переносных гаджетов, будет иметь относительно большие размеры.
• Малое число энергозаправочных станций для графеновых батарей.
• В составе некоторых электродов при изготовлении применяется литий, который является редким металлом.

Как графеновые аккумуляторы помогут смартфонам

Смартфоны которые в будущем получат графеновые аккумуляторы вполне смогут продемонстрировать преимущества изложенные выше.

Будущие смартфоны, работающие на графеновых батареях, продемонстрировали бы преимущества, изложенные выше.

Устройства будут заряжаться еще быстрее, время работы от батареи легко сможет составить больше двух или даже трех дней работы, бонус станет снижение веса, а также это позволит сделать смартфон тоньше.

Графен поможет увеличить емкость аккумуляторов до 60%, кроме того мы помним что графеновые батареи будут холоднее, что положительно скажется на сроке службы.

Кроме того, графеновые батареи позволят смартфонам заряжать другие устройства также быстро, как если бы мы заряжали гаджет с помощью обычного зарядного устройства.

Хотя технология еще не представлена в коммерческих устройствах и производители не торопятся ставить их в свои устройства, мы можем сделать вывод, что графеновые батареи требуют доработку, но в тоже время есть практически достоверная информация, что Huawei все же поставят графеновую батарею в Huawei P40.

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:

1. Одна из технологий предусматривает чередование пластин из графена и кремния, которые используются в качестве катода. При этом в роли анода применяют кобальтат лития.
2. Другая технология подразумевает, что вместо кобальтата задействуют более финансово доступный оксид магния, а катод останется аналогичным. Если судить по стоимости, сочетание магния и графена при создании АКБ обойдётся значительно дешевле, если сравнивать с аналогичным вариантом с использованием лития. Магний-графеновые АКБ вызывают повышенный интерес у автопроизводителей. Ведь потенциально при установке таких батарей на электрокар можно увеличить проходимую дистанцию автомобиля до 1000 километров без остановок на дозарядку. При этом полная зарядка будет занимать около 10 минут. Правда, для работы с графеновыми АКБ потребуются специальные зарядные устройства, которыми планируется оснастить АЗС.

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

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.

Как продвигаются разработки графеновых аккумуляторов

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

Компания Graphenano в 2015 году открыла в Испании крупное предприятие (суммарная площадь 7 тыс. кв. м.) по выпуску графеновых аккумуляторов. Завод находится в городе Екла (исп. Yecla). Над его созданием работали специалисты из компании Grabat Energy и национального университета Кордовы. На мощностях предприятия имеется 20 сборочных линий, рассчитанных на выпуск 80 млн ячеек. Первые серийные образцы этих графен─полимерных аккумуляторов предприятие должно было начать выпускать в 2017 году. Но пока никакой информации о них нет.

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.

Исследователи из университета Monash поместили графен в гелевый раствор. Это позволяет удерживать пластины от слипания, а графен находится в стабильном состоянии и может использоваться для изготовления различных конструкций. В состав этого геля входит вода и углерод. Он не дорог в производстве и по способности накопления электрического заряда значительно превосходит литий─ионные аккумуляторы. Всё это делает новую разработку потенциально коммерчески успешной, но серийно выпускаемых образцов здесь также пока нет.

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.

В любом случае, графеновые аккумуляторы признаются перспективным направлением во многих странах мира и через некоторое время должны быть выпущены серийные образцы этих АКБ. Если они будут иметь характеристики, соответствующие заявленным, то электромобили смогут серьёзно потеснить на дорогах транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. В результате может быть значительно улучшена экология мегаполисов и снижено потребление углеводородов. Помимо прорыва в автомобилестроении, графеновые аккумуляторы могут сделать более эффективными ветровые и солнечные электростанции. А со временем, возможно, увеличение запаса энергии аккумуляторов гаджетов и уменьшение их размеров.