Графеновые аккумуляторы

Графен – это одна из новых форм углерода, открытая в 2004 году английскими и российскими физиками. Основное её отличие от уже известных кристаллов (графита и алмаза) состоит в том, что графен представляет собой кристалл-монопленку, толщина которой составляет всего 91 Пикометр (1Пм – это 10-12 метра), при этом, по мнению учёных, эта плёнка обладает впечатляющими прочностными характеристиками и не менее впечатляющими параметрами проводимости.

Монопленка

По этой причине графен имеет приоритетное значение для электроники и электротехники. Высокая электро,- и теплопроводность значительно расширяет области его применения. Этот материал способен заменить полупроводники из редкоземельных минералов и увеличить мощность микроэлектронных схем, при этом значительно уменьшив их размеры. Кроме того, большие перспективы графен имеет и в области накопления энергии. Кристалл-пленка обладает большим поверхностным зарядом, напряжённость поля не расходуется на удержание атомов трёхмерной структуры. Накопить заряд монопленка может практически мгновенно, сопротивление потоку электронов оказывает всего один атом.

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.

Развитие производства

Массовое производство графена уже налажено в Испании, компания Graphenano в 2015 уже создала дешёвую, хотя и несколько громоздкую модель графенового аккумулятора высокой мощности. Именно он использовался в электромобиле Тесла S. Этот аккумулятор намного безопаснее литий-ионного, использовавшегося до него, кроме того его вес в два раза меньше. В 2017 году компания должна была начать массовый выпуск новых аккумуляторов, но на настоящее время нет никаких сведений о начале серийного выпуска.

В США создание графеновых энергонакопителей по-прежнему на стадии научных исследований. Работы по их совершенствованию проводятся в Северо-западном университете. Основной целью исследований является повышение их ёмкости.

В Европе, кроме Испании, наибольших успехов добились австрийцы из университета Monash. Они разместили монопленку графена в гелевую оболочку, что позволило держать пластины на стабильном расстоянии друг от друга, тем самым предотвратив их слипание.

В Российской Федерации проводятся работы над созданием магниево-графенового аккумулятора повышенной ёмкости и компактных размеров, серийных образцов или доведённых до этого состояния прототипов пока нет.

Перспективы графена

Массовое введение в эксплуатацию графеновых аккумуляторов будет значительным шагом вперед не только для науки, но и для промышленности. Так, развитие массового производства этого энергоносителя повлечёт за собой:

• создание производственных линий по производству графена;
• создание новых моделей электромобилей;
• развитие сети электрозаправок и как следствие постройка новых электростанций;
• продвижение и исследование феномена Тесла по беспроводной передаче электроэнергии, вместе со строительством более разветвлённой и мощной энергосети;
• создание новых мощных и компактных вычислительных устройств;
• повышение экологической безопасности транспорта.

В этом отношении графен открывает новые перспективы, и не только в науке, но и в производстве и даже в быту.

Tesla S

Видео