Įsivaizduok Mobilusis telefonas, kuris išlaiko įkrovimą ilgiau nei savaitę, o vėliau įkraunamas per 15 minučių. Fantastinis? Tačiau tai gali tapti realybe dėl naujo Šiaurės Vakarų universiteto (Evanston, Ilinojaus, JAV) mokslininkų tyrimo. Inžinierių komanda sukūrė ličio jonų įkraunamų baterijų (kurios šiandien naudojamos daugumoje mobiliųjų telefonų) elektrodą, kuris padidino jų energijos talpą 10 kartų. Tai malonios staigmenos neribota - nauja baterijų įrenginiai gali įkrauti 10 kartų greičiau nei dabartiniai.
Norėdami įveikti taikomus apribojimus esamų technologijų dėl akumuliatoriaus energijos talpos ir įkrovimo greičio mokslininkai taikė du skirtingus chemijos inžinerijos metodus. Gauta baterija ne tik prailgins mažo naudojimo laiką Elektroniniai prietaisai(pvz., telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai), bet taip pat atveria kelią efektyvesnių ir mažesnių elektromobilių akumuliatorių kūrimui.
„Suradome būdą, kaip 10 kartų pailginti naujosios ličio jonų baterijos įkrovos išlaikymo laiką“, – sakė vienas iš pagrindinių tyrimo autorių profesorius Haroldas H. Kungas. „Net po 150 įkrovimo / iškrovimo seansų, o tai reiškia, kad jis veikia mažiausiai metus, jis išlieka penkis kartus efektyvesnis nei šiandien rinkoje esančios ličio jonų baterijos.
Ličio jonų akumuliatoriaus veikimas pagrįstas chemine reakcija, kurios metu ličio jonai juda tarp anodo ir katodo, esančio priešinguose akumuliatoriaus galuose. Akumuliatoriaus veikimo metu ličio jonai migruoja iš anodo per elektrolitą į katodą. Įkraunant jų kryptis pakeičiama visiškai priešinga. Egzistuoja Šis momentas Baterijos turi du svarbius apribojimus. Jų energijos talpa – tai yra akumuliatoriaus įkrovos išlaikymo laikas – ribojamas įkrovos tankio arba kiek ličio jonų gali tilpti ant anodo ar katodo. Tuo pačiu metu tokios baterijos įkrovimo greitį riboja greitis, kuriuo ličio jonai gali judėti per elektrolitą iki anodo.
Šiuolaikinėse įkraunamose baterijose anodas, pagamintas iš daugelio grafeno lakštų, gali turėti tik vieną ličio atomą kiekvienam šešiems anglies atomams (kurie sudaro grafeną). Bandydami padidinti baterijų energetinę talpą, mokslininkai jau eksperimentavo anglį pakeisti siliciu, kuriame gali būti daug daugiau ličio: kiekvienam silicio atomui tenka keturi ličio atomai. Tačiau įkrovimo proceso metu silicis smarkiai plečiasi ir susitraukia, todėl anodo medžiaga suskaidoma ir dėl to greitai prarandama akumuliatoriaus įkrovimo talpa.
Šiuo metu mažas greitis akumuliatoriaus įkrovimas paaiškinamas grafeno lakštų forma: palyginti su storiu (kuris yra tik vienas atomas), jų ilgis yra pernelyg didelis. Įkrovimo metu ličio jonas turi įveikti atstumą iki išorinių grafeno lakštų kraštų, o tada prasiskverbti tarp jų ir sustoti kažkur viduje. Kadangi litis užtrunka ilgai, kol pasiekia grafeno lakšto vidurį, šalia jo kraštų pastebima kažkas panašaus į jonų spūstį.
Kaip jau minėta, Kungo tyrimų grupė išsprendė abi šias problemas taikydama dvi skirtingas technologijas. Pirma, siekdami užtikrinti silicio stabilumą ir atitinkamai išlaikyti maksimalią akumuliatoriaus įkrovimo talpą, tarp grafeno lakštų jie įdėjo silicio grupes. Tai leido padidinti ličio jonų skaičių elektrode, tuo pat metu naudojant grafeno lakštų lankstumą, kad būtų atsižvelgta į silicio tūrio pokyčius akumuliatoriaus įkrovimo / iškrovimo metu.
„Dabar vienu akmeniu nužudome abu paukščius“, - sako Kungas. „Silicio dėka gauname didesnį energijos tankį, o sluoksnių persipynimas sumažina galios nuostolius, atsirandančius dėl išsiplėtimo siliciui susitraukiant. Net ir sunaikinus silicio grupes, pats silicis niekur nedingsta.
Be to, tyrėjai panaudojo cheminės oksidacijos procesą, kad sukurtų miniatiūrines (10–20 nanometrų) skylutes grafeno lakštuose („plokštumos defektai“), kurios suteikia ličio jonams „greitą prieigą“ prie anodo vidaus ir vėliau saugomi tai kaip reakcijos su siliciu rezultatas. Tai sumažino akumuliatoriaus įkrovimo laiką 10 kartų.
Iki šiol visos pastangos optimizuoti baterijų darbą buvo nukreiptos į vieną iš jų komponentų – anodą. Kitame tyrimo etape mokslininkai planuoja tuo pačiu tikslu ištirti katodo pokyčius. Be to, jie nori patobulinti elektrolitų sistemą, kad akumuliatorius galėtų automatiškai (ir grįžtamai) išsijungti, kai aukšta temperatūra- panašus apsauginis mechanizmas gali būti naudingas naudojant akumuliatorius elektrinėse transporto priemonėse.
Pasak kūrėjų, dabartinė forma naujoji technologija turėtų patekti į rinką per artimiausius trejus–penkerius metus. Straipsnis apie naujų baterijų tyrimų ir kūrimo rezultatus buvo paskelbtas žurnale Advanced Energy Materials.
O šiandien kalbėsime apie įsivaizduojamas – su gigantiška specifine talpa ir momentiniu įkrovimu. Naujienos apie tokius pokyčius pasirodo pavydėtinai reguliariai, tačiau ateitis dar neatėjo, o mes vis dar naudojame užpernai dešimtmečio pradžioje pasirodžiusius ličio jonų akumuliatorius arba šiek tiek pažangesnius jų ličio polimerų analogus. Taigi, kas yra, technologiniai sunkumai, klaidingas mokslininkų žodžių interpretavimas ar kažkas kita? Pabandykime tai išsiaiškinti.
Siekdamas įkrovimo greičio
Vienas iš akumuliatoriaus parametrų, kurį mokslininkai ir didelės įmonės nuolat stengiamasi tobulėti – įkrovimo greitis. Tačiau be galo jo padidinti nepavyks net ir dėl akumuliatoriuose vykstančių reakcijų cheminių dėsnių (juolab kad aliuminio jonų baterijų kūrėjai jau pareiškė, kad tokio tipo akumuliatorius pilnai įkrauti galima vos per sekundę ), bet dėl fizinių apribojimų. Tarkime, kad turime išmanųjį telefoną su 3000 mAh baterija ir palaikymu greitas įkrovimas. Tokį įtaisą pilnai įkrauti galite per valandą, kai srovės stiprumas vidutiniškai yra 3 A (vidutiniškai, nes įkrovimo metu keičiasi įtampa). Tačiau jei norime visiškai įkrauti vos per minutę, mums reikia 180 A srovės, neatsižvelgiant į įvairius nuostolius. Norint įkrauti įrenginį tokia srove, reikia maždaug 9 mm skersmens vielos – dvigubai storesnės už patį išmanųjį telefoną. Taip, ir 180 A srovė esant maždaug 5 V įtampai yra normalu Įkroviklis negalės išduoti: išmaniųjų telefonų savininkams reikės tokio impulsinio srovės keitiklio, koks parodytas žemiau esančioje nuotraukoje.
Srovės didinimo alternatyva yra įtampos didinimas. Bet dažniausiai jis būna fiksuotas, o ličio jonų baterijoms – 3,7 V. Žinoma, ją galima ir viršyti – įkraunant naudojant Quick Charge 3.0 technologiją ateina įtampa iki 20 V, bet bandant įkrauti akumuliatorių su įtampa apie 220 V yra nenaudingas, neprives prie gero, ir išspręs šią problemą greitai neatrodo įmanoma. Šiuolaikinės baterijos tiesiog negali naudoti šios įtampos.
Amžinos baterijos
Žinoma, mes nekalbame apie amžinasis variklis“, bet apie baterijas su ilgas terminas paslaugos. Šiuolaikinės išmaniesiems telefonams skirtos ličio jonų baterijos gali atlaikyti daugiausia porą metų aktyvaus įrenginių naudojimo, po kurio jų talpa nuolat mažėja. Išmaniųjų telefonų su išimamais baterijomis savininkams pasisekė šiek tiek labiau nei kitiems, tačiau ir tokiu atveju verta įsitikinti, kad baterija buvo neseniai pagaminta: ličio jonų baterijos genda net ir nenaudojamos.
Stanfordo universiteto mokslininkai pasiūlė savo šios problemos sprendimą: uždengti elektrodus esamų tipų ličio jonų baterijų polimerinė medžiaga su grafito nanodalelėmis. Kaip sumanyta mokslininkų, taip bus apsaugoti elektrodai, kurie eksploatacijos metu neišvengiamai pasidengia mikroįtrūkimais, o tie patys mikroįtrūkimai polimerinėje medžiagoje užgis savaime. Tokios medžiagos veikimo principas panašus į technologijas, kurios naudojamos LG G Flex išmaniajame telefone su savaime gyjančiu galiniu dangteliu.
Perėjimas į trečią dimensiją
2013 metais buvo paskelbta, kad Ilinojaus universiteto mokslininkai kuria naujo tipo ličio jonų akumuliatorių. Mokslininkai teigė, kad tokių baterijų savitoji galia sieks iki 1000 mW/(cm*mm), o įprastų ličio jonų akumuliatorių savitoji galia svyruoja tarp 10-100 mW/(cm*mm). Šie matavimo vienetai buvo naudojami, nes kalbame apie gana mažas struktūras, kurių storis yra dešimtys nanometrų.
Vietoj plokščiojo anodo ir katodo, naudojamo tradicinėse ličio jonų baterijose, mokslininkai pasiūlė naudoti masines struktūras: nikelio sulfido kristalinę gardelę ant akytojo nikelio kaip anodo ir ličio mangano dioksidą ant poringo nikelio kaip katodo.
Nepaisant visų abejonių, kurias sukėlė nebuvimas pirmuosiuose pranešimuose spaudai tikslius parametrus naujos baterijos, taip pat iki šiol nepristatyti prototipai, naujo tipo baterija vis dar tikra. Tai patvirtina keli moksliniai straipsniai šia tema, publikuoti per pastaruosius dvejus metus. Tačiau jei tokios baterijos taps prieinamos galutiniams vartotojams, tai įvyks dar labai greitai.
Įkrovimas per ekraną
Mokslininkai ir inžinieriai bando pratęsti mūsų prietaisų tarnavimo laiką ne tik ieškodami naujų baterijų tipų ar didindami jų energijos vartojimo efektyvumą, bet ir neįprastais būdais. Mičigano valstijos universiteto mokslininkai pasiūlė skaidrias saulės baterijas įterpti tiesiai į ekraną. Kadangi tokių plokščių veikimo principas pagrįstas saulės spinduliuotės sugėrimu per jas, mokslininkams teko griebtis gudrybės: naujo tipo plokščių medžiaga sugeria tik nematomą spinduliuotę (infraraudonųjų ir ultravioletinių spindulių). ), po kurio fotonus, atsispindinčius nuo plačių stiklo kraštų, sugeria siauros juostos tradicinio tipo saulės baterijos, esančios jo kraštuose.
Pagrindinė kliūtis diegti tokią technologiją yra mažas tokių plokščių efektyvumas – tik 1%, palyginti su 25% tradicinių saulės baterijų. Dabar mokslininkai ieško būdų, kaip efektyvumą padidinti bent iki 5 proc., tačiau greito šios problemos sprendimo vargu ar galima tikėtis. Beje, panašią technologiją neseniai užpatentavo „Apple“, tačiau kol kas tiksliai nežinoma, kur gamintojas savo įrenginiuose dės saulės baterijas.
Prieš tai žodžiais „baterija“ ir „akumuliatorius“ turėjome omenyje įkraunamą bateriją, tačiau kai kurie tyrinėtojai mano, kad įtaisuose visiškai įmanoma naudoti vienkartinius įtampos šaltinius. Kaip baterijas, kurios be įkrovimo ar kitos priežiūros galėtų veikti keletą metų (ar net kelis dešimtmečius), Misūrio universiteto mokslininkai pasiūlė naudoti RTG – radioizotopinius termoelektrinius generatorius. RTG veikimo principas pagrįstas radijo skilimo metu išsiskiriančios šilumos pavertimu elektros energija. Daugelis tokių įrenginių yra žinomi dėl jų naudojimo erdvėje ir sunkiai pasiekiamose vietoseŽemėje, tačiau JAV miniatiūrinės radioizotopinės baterijos buvo naudojamos ir širdies stimuliatoriuose.
Darbas su patobulintu tokių baterijų tipu vyksta nuo 2009 m., netgi buvo parodyti tokių baterijų prototipai. Tačiau radioizotopinių baterijų išmaniuosiuose telefonuose artimiausiu metu nepamatysime: jas brangu gaminti, be to, daugelyje šalių taikomi griežti radioaktyviųjų medžiagų gamybos ir apyvartos apribojimai.
Galima naudoti ir kaip vienkartines baterijas vandenilio elementai, tačiau jų negalima naudoti išmaniuosiuose telefonuose. Vandenilio akumuliatoriai išsenka gana greitai: nors jūsų įtaisas tarnaus ilgiau nei vieną kartą įkrovus įprastą bateriją, juos teks periodiškai keisti. Tačiau tai netrukdo naudoti vandenilio akumuliatorių elektromobiliuose ir net išorinės baterijos: nors tai nėra masiniai įrenginiai, tačiau jie nebėra prototipai. Taip, ir sklando gandai, kad „Apple“ jau kuria vandenilio kasečių papildymo sistemą jų nekeičiant, kad būtų galima naudoti būsimuose „iPhone“.
Idėja, kad grafeno pagrindu gali būti sukurta didelės specifinės talpos baterija, buvo iškelta dar 2012 m. Taigi šių metų pradžioje Ispanija paskelbė, kad Graphenano pradėjo statyti elektrinių transporto priemonių grafeno-polimero akumuliatorių gamyklą. Naujo tipo akumuliatorių pagaminti beveik keturis kartus pigiau nei tradicinius ličio polimerų akumuliatorius, jo specifinė talpa siekia 600 Wh/kg, o iki 50 kWh įkraunama vos per 8 minutes. Tiesa, kaip minėjome pačioje pradžioje, tam reikės apie 1 MW galios, tad šis skaičius pasiekiamas tik teoriškai. Kada tiksliai gamykla pradės gaminti pirmuosius grafeno-polimero akumuliatorius, nepranešama, tačiau visai tikėtina, kad tarp jos gaminių pirkėjų bus ir „Volkswagen“. Koncernas jau paskelbė apie planus iki 2018 metų pagaminti elektromobilius, kurių atstumas nuo vieno akumuliatoriaus įkrovimo būtų iki 700 kilometrų.
Kalbant apie mobiliuosius įrenginius, o grafeno-polimero baterijas juose naudoti trukdoma dideli matmenys tokios baterijos. Tikėkimės, kad šios srities tyrimai bus tęsiami, nes grafeno-polimero baterijos yra viena iš perspektyviausių baterijų rūšių, kuri gali atsirasti artimiausiais metais.
Tad kodėl, nepaisant viso mokslininkų optimizmo ir nuolat pasirodančių naujienų apie proveržius energijos taupymo srityje, dabar matome sąstingį? Visų pirma, tai susiję su dideliais mūsų lūkesčiais, kuriuos tik kursto žurnalistai. Norime tikėti, kad netrukus įvyks revoliucija baterijų pasaulyje ir mes gausime bateriją, kurios įkraunama greičiau nei per minutę, o tarnavimo laikas beveik neribotas, o šiuolaikiškame telefone užteks mažiausiai savaitės. išmanusis telefonas su aštuonių branduolių procesoriumi. Tačiau tokių proveržių, deja, nebūna. Į masinę gamybą įdėjau bet kokį nauja technologija prieš daugelį metų moksliniai tyrimai, mėginių testavimas, naujų medžiagų kūrimas ir technologiniai procesai ir kiti darbai, kurie atima daug laiko. Galiausiai tos pačios ličio jonų baterijos iš inžinerinių pavyzdžių virsta maždaug penkerių metų baigti įrenginiai kuriuos galima naudoti telefonuose.
Todėl galime tik apsišarvuoti kantrybe ir nepriimti naujienų apie naujas baterijas į širdį. Bent jau iki žinių apie jų masinės gamybos pradžią, kai nekyla abejonių dėl naujosios technologijos gyvybingumo.
Baterijos yra „viskas arba nieko“ taisyklė. Be naujos kartos energijos kaupimo nebus lūžio nei energetikos politikoje, nei elektromobilių rinkoje.
Moore'o įstatymas, postuluojamas IT pramonėje, žada kas dvejus metus padidinti procesoriaus našumą. Akumuliatorių plėtra atsilieka: per metus jų efektyvumas didėja vidutiniškai 7 proc. Ir nors ličio jonų baterijos šiuolaikiniuose išmaniuosiuose telefonuose tarnauja vis ilgiau, tai daugiausia lemia optimizuotas lustų veikimas.
Ličio jonų baterijos dominuoja rinkoje dėl savo lengvo svorio ir didelio energijos tankio.
Kasmet milijardai baterijų įdedami į mobiliuosius įrenginius, elektrines transporto priemones ir atsinaujinančios energijos kaupimo sistemas. Tačiau moderni technologija pasiekė savo ribą.
Gera žinia ta naujos kartos ličio jonų baterijos jau beveik atitinka rinkos reikalavimus. Jie naudoja litį kaip saugojimo medžiagą, kuri teoriškai leidžia dešimteriopai padidinti energijos kaupimo tankį.
Kartu pateikiami ir kitų medžiagų tyrimai. Nors litis užtikrina priimtiną energijos tankį, mes kalbame apie konstrukcijas, kurios yra keliomis eilėmis optimalesnės ir pigesnės. Juk gamta galėtų mums parūpinti geriausios schemos aukštos kokybės baterijoms.
Universiteto tyrimų laboratorijos kuria pirmuosius prototipus organinės baterijos. Tačiau gali praeiti ne vienas dešimtmetis, kol tokios biobaterijos pateks į rinką. Tiltas į ateitį padeda ištempti mažo dydžio baterijas, kurios įkraunamos gaudant energiją.
Mobilieji maitinimo šaltiniai
„Gartner“ duomenimis, šiais metais bus parduota daugiau nei 2 milijardai mobiliųjų įrenginių, kurių kiekviename bus įrengta ličio jonų baterija. Šios baterijos šiandien laikomos standartu, iš dalies dėl to, kad jos yra tokios lengvos. Tačiau jų maksimalus energijos tankis yra tik 150–200 Wh/kg.
Ličio jonų akumuliatoriai įkrauna ir išleidžia energiją judindami ličio jonus. Įkraunant teigiamo krūvio jonai juda iš katodo per elektrolito tirpalą tarp anodo grafito sluoksnių, ten kaupiasi ir prijungia įkrovimo srovės elektronus.
Išsikrovimo metu jie atiduoda elektronus į srovės grandinę, ličio jonai grįžta atgal į katodą, kuriame vėl jungiasi su jame esančiu metalu (daugeliu atvejų kobaltu) ir deguonimi.
Ličio jonų baterijų talpa priklauso nuo to, kiek ličio jonų gali būti tarp grafito sluoksnių. Tačiau silicio dėka šiandien galite pasiekti daugiau efektyvus darbas baterijos.
Palyginimui, vienam ličio jonui surišti reikia šešių anglies atomų. Kita vertus, vienas silicio atomas gali turėti keturis ličio jonus.
Ličio jonų akumuliatorius kaupia elektros energiją lityje. Kai anodas įkraunamas, tarp grafito sluoksnių kaupiasi ličio atomai. Išsikrovimo metu jie aukoja elektronus ir ličio jonų pavidalu juda į sluoksninę katodo struktūrą (ličio kobaltitą).
Silicis padidina talpą
Baterijų talpa padidėja, kai tarp grafito sluoksnių yra silicio. Sujungus silicį su ličiu, jis padidėja tris keturis kartus, tačiau po kelių įkrovimo ciklų grafito sluoksnis nutrūksta.
Šios problemos sprendimas rastas starto projektas Amprius sukūrė mokslininkai iš Stanfordo universiteto. „Amprius“ projektą palaikė tokie žmonės kaip Ericas Schmidtas („Google“ direktorių tarybos pirmininkas) ir Nobelio premijos laureatas Stevenas Chu (iki 2013 m. – JAV energetikos sekretorius).
Anode esantis akytas silicis padidina ličio jonų baterijų efektyvumą iki 50%. Įgyvendinant Amprius startuolio projektą, buvo pagamintos pirmosios silicio baterijos. Šiame projekte yra trys „grafito problemos“ sprendimo būdai. Pirmasis yra porėto silicio panaudojimas, kurią galima įsivaizduoti kaip „kempinę“. Laikant litį, jo tūris padidėja labai nedaug, todėl grafito sluoksniai lieka nepažeisti. „Amprius“ gali sukurti baterijas, kurios sukaupia iki 50 % daugiau energijos nei įprasti akumuliatoriai.
Veiksmingiau nei akytasis silicis kaupia energiją silicio nanovamzdelių sluoksnis. Prototipuose buvo pasiektas beveik dvigubai padidintas įkrovimo pajėgumas (iki 350 Wh/kg).
„Kempinėlė“ ir vamzdeliai vis tiek turi būti padengti grafitu, nes silicis reaguoja su elektrolito tirpalu ir taip sumažina baterijos veikimo laiką.
Tačiau yra ir trečias būdas. Ampirus projekto tyrėjai suleido į anglies apvalkalą silicio dalelių grupės, kurios tiesiogiai nesiliečia, bet suteikia laisvos vietos dalelėms, kurios padidėtų. Litis gali kauptis ant šių dalelių, o apvalkalas lieka nepažeistas. Net po tūkstančio įkrovimo ciklų prototipo talpa sumažėjo tik 3%.
Silicis susijungia su keliais ličio atomais, tačiau proceso metu plečiasi. Siekdami užkirsti kelią grafito sunaikinimui, mokslininkai naudoja granatų augalo struktūrą: į grafito lukštus, kurie yra pakankamai dideli, kad papildomai pritvirtintų ličio, įveda silicio. Daugelis mano, kad automobilių pramonės ateitis priklauso nuo elektromobilių. Užsienyje atsiranda sąskaitų, pagal kurias dalis kasmet parduodamų automobilių turi būti arba hibridiniai, arba varomi elektra, tad pinigai investuojami ne tik į tokių automobilių reklamą, bet ir į degalinių statybas.
Tačiau daugelis žmonių vis dar laukia, kol elektromobiliai taps tikrais varžovais. tradiciniai automobiliai. O gal tai bus tada, kai sumažės įkrovimo laikas ir laikas baterijos veikimo laikas padidinti? Galbūt grafeno baterijos padės žmonijai tai padaryti.
Kas yra grafenas?
Revoliucinė naujos kartos medžiaga, lengviausia ir stipriausia, laidiausia elektrai – viskas apie grafeną, kuris yra ne kas kita, kaip vieno atomo storio dvimatė anglies gardelė. Grafeno kūrėjai Konstantinas Novoselovas gavo Nobelio premiją. Paprastai tarp atidarymo ir pradžios praktinis naudojimasŠis atradimas praktikoje užtrunka ilgai, kartais net dešimtmečius, tačiau grafeno tokio likimo neištiko. Galbūt taip yra dėl to, kad Novoselovas ir Geimas neslėpė jo gamybos technologijos.
Apie tai jie ne tik papasakojo visam pasauliui, bet ir parodė: „YouTube“ yra vaizdo įrašas, kuriame Konstantinas Novoselovas išsamiai pasakoja apie šią technologiją. Todėl galbūt netrukus netgi galėsime savo rankomis pasigaminti grafeno baterijas.
Vystymai
Bandymai naudoti grafeną buvo beveik visose mokslo srityse. Buvo išbandytas saulės elementai, ausines, korpusus ir net bandė gydyti vėžį. Tačiau šiuo metu vienas perspektyviausių ir žmonijai reikalingiausių dalykų yra grafeno baterija. Prisiminkite, kad turėdami tokį neginčijamą pranašumą kaip pigūs ir ekologiški degalai, elektromobiliai turi rimtą trūkumą – palyginti mažą. Maksimalus greitis ir galios rezervas ne didesnis kaip trys šimtai kilometrų.
Šimtmečio problemos sprendimas
Grafeno baterija veikia tuo pačiu principu kaip ir švino baterijos su šarminiu arba rūgštiniu elektrolitu. Šis principas yra elektrocheminė reakcija. Pagal konstrukciją grafeno baterija yra panaši į ličio jonų akumuliatorių su kietu elektrolitu, kurio katodas yra anglies koksas, kurio sudėtis artima grynai anglies.
Tačiau tarp inžinierių, kuriančių grafeno baterijas, jau yra dvi iš esmės skirtingos kryptys. JAV mokslininkai pasiūlė katodą pagaminti iš grafeno ir silicio plokščių, sujungtų viena su kita, o anodą iš klasikinio ličio kobalto. Rusijos inžinieriai rado kitą sprendimą. Toksišką ir brangią ličio druską galima pakeisti aplinkai draugiškesniu ir pigesniu magnio oksidu. Akumuliatoriaus talpa bet kuriuo atveju padidinama padidinus jonų perėjimo iš vieno elektrodo į kitą greitį. Taip yra dėl to, kad grafenas turi aukšta norma elektros laidumas ir gebėjimas kaupti elektros krūvį.
Mokslininkų nuomonės dėl naujovių išsiskiria: Rusijos inžinieriai teigia, kad grafeno baterijų talpa yra dvigubai didesnė nei ličio jonų, o užsienio kolegos – dešimt kartų.
Grafeno baterijos buvo pradėtos masiškai gaminti 2015 m. Pavyzdžiui, tuo užsiima Ispanijos įmonė „Graphenano“. Gamintojo teigimu, šių baterijų naudojimas elektromobiliuose logistikos aikštelėse parodo realias praktines akumuliatoriaus su grafeno katodu galimybes. Dėl pilnas įkrovimas tai trunka tik aštuonias minutes. Maksimalus ilgis rida taip pat gali padidinti grafeno baterijas. Įkrauti 1000 km vietoj trijų šimtų – štai ką Graphenano Corporation nori pasiūlyti vartotojui.
Ispanija ir Kinija
Bendradarbiauja su Graphenano Kinijos įmonė„Chint“, kuri už 18 milijonų eurų įsigijo 10% Ispanijos korporacijos akcijų. Bendromis lėšomis bus pastatyta gamykla su dvidešimt gamybos linijų. Į projektą jau investuota apie 30 mln., kurios bus investuojamos į įrangos įrengimą ir darbuotojų samdymą. Pagal pirminį planą gamykla turėjo pradėti gaminti apie 80 mln. Pradiniame etape Kinija turėtų tapti pagrindine rinka, o vėliau buvo planuojama pradėti tiekimą į kitas šalis.
Antrajame etape „Chint“ yra pasirengusi investuoti 350 milijonų eurų, kad pastatytų dar vieną gamyklą, kurioje dirbtų apie 5 tūkst. Tokie skaičiai nestebina, turint omenyje, kad bendros pajamos sieks apie tris milijardus eurų. Be to, ekologinėmis problemomis garsėjanti Kinija bus aprūpinta aplinkai draugiškais ir pigiais „degalais“. Tačiau, kaip matome, apart skambių pareiškimų, pasaulis nieko nematė, tik bandomuosius modelius. Nors apie ketinimą bendradarbiauti su Graphenano paskelbė ir „Volkswagen Corporation“.
Lūkesčiai ir realybė
2017 metai, vadinasi, „Graphenano“ jau dvejus metus užsiima „masine“ akumuliatorių gamyba, tačiau sutikti elektromobilį kelyje – retenybė ne tik Rusijai. Visos korporacijos paskelbtos charakteristikos ir duomenys yra gana neaiškūs. Apskritai jie neperžengia visuotinai priimtų teorinių idėjų, kokių parametrų turi turėti elektromobiliui skirta grafeno baterija.
Be to, kol kas viskas, kas buvo pristatyta tiek vartotojams, tiek investuotojams, yra tik kompiuterių modeliai, nėra tikrų prototipų. Problemų prisideda ir tai, kad grafenas yra labai brangi medžiaga. Nepaisant garsių mokslininkų pareiškimų, kaip jį galima „atspausdinti ant kelio“, šiame etape galima sumažinti tik kai kurių komponentų kainą.
Grafenas ir pasaulinė rinka
Visokiausių sąmokslo teorijų šalininkai sakys, kad tokio automobilio atsiradimas niekam nenaudingas, nes tada nafta nueis į antrą planą, vadinasi, sumažės ir pajamos iš jos gamybos. Tačiau greičiausiai inžinieriai susidūrė su tam tikromis problemomis, tačiau nenori to reklamuoti. Žodis „grafenas“ dabar girdimas, todėl daugelis mano, kad galbūt mokslininkai nenori sugadinti jo šlovės.
Plėtros problemos
Tačiau gali būti, kad medžiaga yra tikrai naujoviška, todėl metodas reikalauja tinkamo. Galbūt grafeną naudojantys akumuliatoriai turėtų iš esmės skirtis nuo tradicinių ličio jonų arba ličio polimerų baterijų.
Yra ir kita teorija. Graphenano Corporation teigė, kad naujas baterijas galima įkrauti vos per aštuonias minutes. Specialistai patvirtina, kad tai tikrai įmanoma, tik maitinimo šaltinio galia turi būti ne mažesnė kaip vienas megavatas, o tai įmanoma bandymo sąlygomis gamykloje, bet ne namuose. pastatas pakankamai degalų papildymas su tokia talpa kainuos nemažus pinigus, vieno įkrovimo kaina bus gana didelė, todėl grafeno akumuliatorius automobiliui neduos jokios naudos.
Praktika rodo, kad revoliucinės technologijos į pasaulio rinką integruotos gana ilgai. Norint užtikrinti gaminio saugumą, būtina atlikti daugybę bandymų, todėl naujų technologinių prietaisų išleidimas kartais atidedamas daugeliui metų.
Vartojimo ekologija.Mokslas ir technologijos: Elektromobilių ateitis labai priklauso nuo baterijų tobulinimo – jos turi sverti mažiau, krautis greičiau ir tuo pačiu gaminti daugiau energijos.
Elektrinių transporto priemonių ateitis labai priklauso nuo baterijų tobulinimo – jos turi sverti mažiau, įkrauti greičiau ir gaminti daugiau energijos. Mokslininkai jau pasiekė tam tikrų rezultatų. Inžinierių komanda sukūrė ličio-deguonies baterijas, kurios neeikvoja energijos ir gali tarnauti dešimtmečius. O Australijos mokslininkas pristatė grafeno pagrindu pagamintą jonistorių, kurį galima įkrauti milijoną kartų neprarandant efektyvumo.
Ličio ir deguonies akumuliatoriai yra lengvi ir gamina daug galios, todėl gali būti idealūs elektromobilių komponentai. Tačiau šios baterijos turi reikšmingas trūkumas- jie greitai susidėvi ir išskiria per daug energijos kaip šilumos. Šią problemą žada išspręsti nauja MIT, Argonne nacionalinės laboratorijos ir Pekino universiteto mokslininkų plėtra.
Inžinierių komandos sukurtose ličio deguonies baterijose naudojamos nanodalelės, kuriose yra ličio ir deguonies. Tokiu atveju, pasikeitus būsenai, deguonis sulaikomas dalelės viduje ir negrįžta į dujų fazę. Tai išskiria plėtrą nuo ličio-oro baterijų, kurios paima deguonį iš oro ir išleidžia jį į atmosferą atvirkštinės reakcijos metu. Naujas požiūris leidžia sumažinti energijos nuostolius (vert elektros įtampa sumažinamas beveik 5 kartus) ir pailgėja baterijos veikimo laikas.
Ličio-deguonies technologija taip pat puikiai pritaikyta tikroms sąlygoms, skirtingai nei ličio-oro sistemos, kurios pablogėja veikiamos drėgmės ir CO2. Be to, ličio ir deguonies baterijos yra apsaugotos nuo perkrovimo – kai tik yra per daug energijos, baterija persijungia į kitokio tipo reakciją.
Mokslininkai atliko 120 įkrovimo-iškrovimo ciklų, o našumas sumažėjo tik 2%.
Kol kas mokslininkai sukūrė tik baterijos prototipą, tačiau per metus ketina sukurti prototipą. Tam nereikia brangių medžiagų, o gamyba daugeliu atžvilgių yra panaši į tradicinių ličio jonų baterijų gamybą. Jei projektas bus įgyvendintas, artimiausiu metu elektromobiliai sukaups dvigubai daugiau energijos už tą patį svorį.
Australijos Svinburno technologijos universiteto inžinierius išsprendė dar vieną su baterijomis susijusią problemą – kaip greitai jos įkraunamos. Jo sukurtas jonistorius įkraunamas beveik akimirksniu ir gali būti naudojamas daugelį metų neprarandant efektyvumo.
Han Linas naudojo grafeną, vieną iš stipriausių iki šiol medžiagų. Dėl savo korį primenančios struktūros grafenas turi didelį paviršiaus plotą energijai kaupti. Mokslininkas spausdino 3D grafeno lakštus – gamybos metodą, kuris taip pat sumažina išlaidas ir padidina mastą.
Mokslininko sukurtas jonistorius vienam svorio kilogramui pagamina tiek energijos, kiek ličio jonų baterijos bet įkraunama per kelias sekundes. Tuo pačiu metu vietoj ličio naudojamas grafenas, kuris yra daug pigesnis. Pasak Han Lin, jonistorius gali pereiti milijonus įkrovimo ciklų neprarandant kokybės.
Akumuliatorių pramonė nestovi vietoje. Broliai Kreiseliai iš Austrijos sukūrė naujo tipo baterijas, kurios sveria beveik perpus mažiau nei baterijos Tesla modelis S.
Norvegijos mokslininkai iš Oslo universiteto išrado bateriją, kuri gali būti visiškai. Tačiau jų plėtra skirta miestams viešasis transportas, kuris reguliariai daro sustojimus – prie kiekvieno iš jų autobusas bus įkraunamas ir jėgų užteks nuvažiuoti iki kitos stotelės.
Kalifornijos universiteto Irvine mokslininkai artėja prie amžinos baterijos kūrimo. Jie sukūrė nanovielinę bateriją, kurią galima įkrauti šimtus tūkstančių kartų.
Ir Rice universiteto inžinieriams pavyko sukurti tokį, kuris veiktų 150 laipsnių Celsijaus temperatūroje neprarandant efektyvumo. paskelbta
