Iedomājies Mobilais telefons, kas notur uzlādi vairāk nekā nedēļu un pēc tam tiek uzlādēts 15 minūtēs. Fantastiski? Bet tas var kļūt par realitāti, pateicoties jaunam Ziemeļrietumu universitātes zinātnieku pētījumam (Evanstona, Ilinoisa, ASV). Inženieru komanda izstrādāja elektrodu litija jonu uzlādējamām baterijām (kas mūsdienās tiek izmantotas lielākajā daļā mobilo tālruņu), kas palielināja to enerģijas ietilpību 10 reizes. Šis patīkami pārsteigumi nav ierobežots - jauns akumulatoru ierīces var uzlādēt 10 reizes ātrāk nekā pašreizējie.
Lai pārvarētu noteiktos ierobežojumus esošās tehnoloģijas attiecībā uz akumulatora enerģijas ietilpību un uzlādes ātrumu zinātnieki izmantoja divas dažādas ķīmiskās inženierijas pieejas. Iegūtais akumulators ne tikai pagarinās mazo akumulatoru kalpošanas laiku elektroniskās ierīces(piemēram, tālruņiem un klēpjdatoriem), bet arī paver ceļu efektīvāku un mazāku akumulatoru izstrādei elektriskajiem transportlīdzekļiem.
"Mēs esam atraduši veidu, kā 10 reizes pagarināt jaunā litija jonu akumulatora uzlādes saglabāšanas laiku," sacīja profesors Harolds H. Kungs, viens no pētījuma vadošajiem autoriem. "Pat pēc 150 uzlādes/izlādes sesijām, kas nozīmē vismaz gadu ilgu darbību, tas joprojām ir piecas reizes efektīvāks nekā šodien tirgū pieejamie litija jonu akumulatori."
Litija jonu akumulatora darbības pamatā ir ķīmiska reakcija, kurā litija joni pārvietojas starp anodu un katodu, kas atrodas pretējos akumulatora galos. Akumulatora darbības laikā litija joni migrē no anoda caur elektrolītu uz katodu. Uzlādējot, to virziens tiek aizstāts ar tieši pretējo. Eksistē Šis brīdis Baterijām ir divi svarīgi ierobežojumi. To enerģijas ietilpību - tas ir, akumulatora uzlādes saglabāšanas laiku - ierobežo lādiņa blīvums vai tas, cik litija jonu var ievietot uz anoda vai katoda. Tajā pašā laikā šāda akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo ātrums, ar kādu litija joni spēj pārvietoties pa elektrolītu uz anodu.
Mūsdienu uzlādējamās baterijās anodā, kas izgatavots no daudzām grafēna loksnēm, var būt tikai viens litija atoms uz katriem sešiem oglekļa atomiem (kas veido grafēnu). Mēģinot palielināt akumulatoru enerģijas ietilpību, zinātnieki jau ir eksperimentējuši ar oglekļa aizstāšanu ar silīciju, kurā var būt daudz vairāk litija: četri litija atomi uz katru silīcija atomu. Taču silīcijs uzlādes procesā strauji izplešas un saraujas, kas izraisa anoda vielas sadrumstalotību un rezultātā strauju akumulatora uzlādes jaudas zudumu.
Šobrīd zems ātrums akumulatora uzlāde ir izskaidrojama ar grafēna lokšņu formu: salīdzinot ar biezumu (kas ir tikai viens atoms), to garums ir pārmērīgs. Uzlādes laikā litija jonam jāpārvar attālums līdz grafēna lokšņu ārējām malām, pēc tam jāiet starp tām un jāapstājas kaut kur iekšpusē. Tā kā litijam ir nepieciešams ilgs laiks, lai sasniegtu grafēna loksnes vidu, tā malās tiek novērots kaut kas līdzīgs jonu sastrēgumam.
Kā jau minēts, Kunga pētniecības grupa atrisināja abas šīs problēmas, pieņemot divas dažādas tehnoloģijas. Pirmkārt, lai nodrošinātu silīcija stabilitāti un attiecīgi saglabātu akumulatora maksimālo uzlādes jaudu, viņi ievietoja silīcija kopas starp grafēna loksnēm. Tas ļāva palielināt litija jonu skaitu elektrodā, vienlaikus izmantojot grafēna lokšņu elastību, lai ņemtu vērā silīcija tilpuma izmaiņas akumulatora uzlādes/izlādes laikā.
"Tagad mēs nogalinām abus putnus ar vienu akmeni," saka Kungs. “Pateicoties silīcijam, mēs iegūstam lielāku enerģijas blīvumu, un slāņu savstarpējā sajaukšanās samazina jaudas zudumus, ko izraisa silīcija izplešanās ar kontrakciju. Pat ar silīcija kopu iznīcināšanu pats silīcijs nekur nenonāk.
Turklāt pētnieki izmantoja ķīmiskās oksidācijas procesu, lai grafēna loksnēs izveidotu miniatūras (10–20 nanometri) caurumus (“plaknes defekti”), kas nodrošina litija joniem “ātru piekļuvi” anoda iekšpusei un pēc tam uzglabāšanu tas ir reakcijas ar silīciju rezultātā. Tas 10 reizes samazināja akumulatora uzlādei nepieciešamo laiku.
Līdz šim visi centieni optimizēt akumulatoru darbību ir vērsti uz vienu no to sastāvdaļām - anodu. Nākamajā pētījumu posmā zinātnieki plāno pētīt katoda izmaiņas šim pašam mērķim. Turklāt viņi vēlas uzlabot elektrolīta sistēmu, lai akumulators varētu automātiski (un atgriezeniski) izslēgties, kad augsta temperatūra- līdzīgs aizsargmehānisms varētu būt noderīgs, izmantojot akumulatorus elektriskajos transportlīdzekļos.
Pēc izstrādātāju domām, pašreizējā forma jaunajai tehnoloģijai vajadzētu ienākt tirgū nākamo trīs līdz piecu gadu laikā. Žurnālā Advanced Energy Materials tika publicēts raksts par jaunu bateriju izpētes un izstrādes rezultātiem.
Un šodien mēs runāsim par iedomātajiem - ar gigantisku specifisku jaudu un tūlītēju uzlādi. Ziņas par šādām norisēm parādās ar apskaužamu regularitāti, taču nākotne vēl nav pienākusi, un mēs joprojām izmantojam litija jonu akumulatorus, kas parādījās pagājušās desmitgades sākumā, vai arī to nedaudz progresīvākos litija-polimēru līdziniekus. Kas tad par lietu, tehnoloģiskas grūtības, zinātnieku vārdu nepareiza interpretācija vai kas cits? Mēģināsim to izdomāt.
Tiecoties pēc uzlādes ātruma
Viens no akumulatora parametriem, ko zinātnieki un lielie uzņēmumi pastāvīgi cenšas uzlabot - uzlādes ātrums. Taču bezgalīgi to palielināt nebūs iespējams pat ne akumulatoros notiekošo reakciju ķīmisko likumu dēļ (jo īpaši tāpēc, ka alumīnija jonu akumulatoru izstrādātāji jau ir paziņojuši, ka šāda veida akumulatorus var pilnībā uzlādēt tikai sekundē ), bet fizisku ierobežojumu dēļ. Pieņemsim, ka mums ir viedtālrunis ar 3000 mAh akumulatoru un atbalstu ātra uzlāde. Jūs varat pilnībā uzlādēt šādu sīkrīku stundas laikā ar strāvas stiprumu vidēji 3 A (vidēji, jo uzlādes laikā mainās spriegums). Tomēr, ja vēlamies iegūt pilnu uzlādi tikai vienā minūtē, mums ir nepieciešama 180 A strāva, neņemot vērā dažādus zudumus. Lai uzlādētu ierīci ar šādu strāvu, nepieciešams vads ar diametru aptuveni 9 mm – divreiz biezāks par pašu viedtālruni. Jā, un 180 A strāva pie aptuveni 5 V sprieguma ir normāla Lādētājs nevarēs izdalīt: viedtālruņu īpašniekiem būs nepieciešams impulsu strāvas pārveidotājs, kāds parādīts zemāk esošajā fotoattēlā.
Alternatīva strāvas palielināšanai ir sprieguma palielināšana. Bet tas parasti ir fiksēts, un litija jonu akumulatoriem tas ir 3,7 V. Protams, to var pārsniegt - uzlāde, izmantojot Quick Charge 3.0 tehnoloģiju, nāk ar spriegumu līdz 20 V, bet mēģinot uzlādēt akumulatoru ar spriegumu. Aptuveni 220 V ir bezjēdzīgs, tas nenovedīs pie laba, un atrisiniet šo problēmu drīzumā nešķiet iespējams. Mūsdienu akumulatori vienkārši nevar izmantot šo spriegumu.
Mūžīgās baterijas
Protams, mēs nerunājam par mūžīgā kustības mašīna”, bet par baterijām ar ilgtermiņa pakalpojumus. Mūsdienu viedtālruņu litija jonu akumulatori var izturēt maksimums pāris gadu aktīvu ierīču lietošanu, pēc tam to jauda nepārtraukti samazinās. Viedtālruņu ar noņemamiem akumulatoriem īpašniekiem ir nedaudz vairāk paveicies nekā citiem, taču arī šajā gadījumā ir vērts pārliecināties, ka akumulators ir ražots nesen: litija jonu akumulatori sabojājas pat tad, ja tos neizmanto.
Stenfordas universitātes zinātnieki ierosināja savu risinājumu šai problēmai: nosegt elektrodus esošie veidi litija jonu akumulatoru polimēru materiāls ar grafīta nanodaļiņu pievienošanu. Pēc zinātnieku ieceres, tas pasargās elektrodus, kuri darbības laikā neizbēgami pārklājas ar mikroplaisām, un tās pašas mikroplaisas polimērmateriālā sadzīs pašas no sevis. Šāda materiāla darbības princips ir līdzīgs LG G Flex viedtālrunī ar pašdziedinošu aizmugurējo vāciņu izmantotajai tehnoloģijai.
Pāreja uz trešo dimensiju
2013. gadā tika ziņots, ka Ilinoisas Universitātes pētnieki izstrādā jauna veida litija jonu akumulatoru. Zinātnieki ir norādījuši, ka šādu akumulatoru īpatnējā jauda būs līdz 1000 mW / (cm * mm), savukārt parasto litija jonu akumulatoru īpatnējā jauda svārstās no 10-100 mW / (cm * mm). Šīs mērvienības tika izmantotas, jo mēs runājam par diezgan mazām konstrukcijām, kuru biezums ir desmitiem nanometru.
Plakanā anoda un katoda vietā, ko izmanto tradicionālajās litija jonu baterijās, zinātnieki ierosināja izmantot lielapjoma struktūras: niķeļa sulfīda kristālrežģi uz porainā niķeļa kā anodu un litija mangāna dioksīdu uz porainā niķeļa kā katodu.
Par spīti visām nebūšanas izraisītajām šaubām pirmajos preses relīzēs precīzi parametri jaunas baterijas, kā arī līdz šim neprezentēti prototipi, jauns tips akumulators joprojām ir reāls. To apstiprina vairāki zinātniski raksti par šo tēmu, kas publicēti pēdējo divu gadu laikā. Taču, ja šādas baterijas kļūs pieejamas gala lietotājiem, tas nenotiks ļoti drīz.
Uzlāde caur ekrānu
Zinātnieki un inženieri cenšas pagarināt mūsu sīkrīku kalpošanas laiku, ne tikai meklējot jaunus akumulatoru veidus vai palielinot to energoefektivitāti, bet arī neparastos veidos. Mičiganas štata universitātes pētnieki ir ierosinājuši iestrādāt caurspīdīgus saules paneļus tieši ekrānā. Tā kā šādu paneļu darbības princips ir balstīts uz saules starojuma absorbciju no tiem, lai padarītu tos caurspīdīgus, zinātniekiem nācās ķerties pie viltības: jaunā tipa paneļu materiāls absorbē tikai neredzamo starojumu (infrasarkano un ultravioleto starojumu). ), pēc kura fotonus, kas atspīd no stikla platajām malām, absorbē šauras sloksnes tradicionālā tipa saules paneļi, kas atrodas tā malās.
Galvenais šķērslis šādas tehnoloģijas ieviešanai ir šādu paneļu zemā efektivitāte – tikai 1% pret 25% tradicionālo saules paneļu. Tagad zinātnieki meklē veidus, kā palielināt efektivitāti vismaz līdz 5%, taču ātru šīs problēmas risinājumu diez vai var sagaidīt. Starp citu, līdzīgu tehnoloģiju nesen patentēja Apple, taču vēl nav precīzi zināms, kur ražotājs savās ierīcēs liks saules paneļus.
Pirms tam ar vārdiem “akumulators” un “akumulators” mēs domājām uzlādējamu akumulatoru, taču daži pētnieki uzskata, ka sīkrīkos ir pilnīgi iespējams izmantot vienreizējās lietošanas sprieguma avotus. Kā akumulatorus, kas varētu darboties bez uzlādēšanas vai citas apkopes vairākus gadus (vai pat vairākus gadu desmitus), Misūri Universitātes zinātnieki ierosināja izmantot RITEG - radioizotopu termoelektriskos ģeneratorus. RTG darbības princips ir balstīts uz radio sabrukšanas laikā izdalītā siltuma pārvēršanu elektroenerģijā. Daudzas šādas iekārtas ir pazīstamas ar to izmantošanu kosmosā un grūti sasniedzamās vietās uz Zemes, bet ASV miniatūras radioizotopu baterijas ir izmantotas arī elektrokardiostimulatoros.
Darbs pie uzlabota šādu akumulatoru veida notiek jau kopš 2009. gada, un ir pat parādīti šādu bateriju prototipi. Taču tuvākajā laikā viedtālruņos nevarēsim redzēt radioizotopu baterijas: to ražošana ir dārga, turklāt daudzās valstīs ir stingri ierobežojumi radioaktīvo materiālu ražošanai un apritei.
Var izmantot arī kā vienreizējās lietošanas baterijas ūdeņraža elementi, taču tos nevar izmantot viedtālruņos. Ūdeņraža akumulatori diezgan ātri izlādējas: lai gan jūsu sīkrīks darbosies ilgāk ar vienu kasetni, nekā ar parastā akumulatora uzlādi, tie būs periodiski jāmaina. Tomēr tas neliedz izmantot ūdeņraža akumulatorus elektriskajos transportlīdzekļos un pat ārējās baterijas: tās nav masveida ierīces, taču tās vairs nav prototipi. Jā, un tiek baumots, ka Apple jau izstrādā sistēmu ūdeņraža kasetņu uzpildīšanai, nenomainot tās izmantošanai turpmākajos iPhone tālruņos.
Ideja, ka uz grafēna bāzes var izveidot akumulatoru ar lielu īpatnējo jaudu, tika izvirzīta jau 2012. gadā. Un tā šī gada sākumā Spānija paziņoja, ka Graphenano sāks būvēt rūpnīcu grafēna-polimēra akumulatoru ražošanai elektriskajiem transportlīdzekļiem. Jaunā tipa akumulatoru ražošana ir gandrīz četras reizes lētāka nekā tradicionālos litija polimēru akumulatorus, tā īpatnējā jauda ir 600 Wh/kg, un to var uzlādēt līdz 50 kWh tikai 8 minūtēs. Tiesa, kā jau teicām pašā sākumā, tam būs nepieciešama aptuveni 1 MW jauda, tāpēc šis skaitlis ir sasniedzams tikai teorētiski. Kad tieši rūpnīca sāks ražot pirmos grafēna-polimēra akumulatorus, netiek ziņots, taču pilnīgi iespējams, ka Volkswagen būs starp tās produkcijas pircējiem. Koncerns jau ir paziņojis par plāniem līdz 2018. gadam ražot elektriskos transportlīdzekļus ar darbības rādiusu līdz 700 kilometriem no vienas akumulatora uzlādes reizes.
Kas attiecas uz mobilās ierīces, savukārt grafēna-polimēra akumulatoru izmantošana tajos ir apgrūtināta lieli izmērišādas baterijas. Cerēsim, ka pētījumi šajā jomā turpināsies, jo grafēna-polimēru baterijas ir viens no perspektīvākajiem bateriju veidiem, kas varētu parādīties tuvāko gadu laikā.
Tātad, kāpēc, neskatoties uz visu zinātnieku optimismu un regulāri parādās ziņām par sasniegumiem enerģijas taupīšanas jomā, mēs tagad redzam stagnāciju? Pirmkārt, lieta ir mūsu lielajās cerībās, kuras tikai veicina žurnālisti. Mēs vēlamies ticēt, ka drīzumā notiks revolūcija akumulatoru pasaulē, un mēs iegūsim akumulatoru ar uzlādi mazāk nekā minūtē un ar gandrīz neierobežotu kalpošanas laiku, kas uz moderna kalpos vismaz nedēļu viedtālrunis ar astoņkodolu procesoru. Bet šādi izrāvieni, diemžēl, nenotiek. Es laistu masveida ražošanā jebkuru jauna tehnoloģija pirms daudziem gadiem zinātniskie pētījumi, paraugu testēšana, jaunu materiālu izstrāde un tehnoloģiskie procesi un citi darbi, kas aizņem daudz laika. Galu galā tās pašas litija jonu akumulatorus no inženiertehniskajiem paraugiem pārvērta apmēram pieci gadi gatavās ierīces ko var izmantot tālruņos.
Tāpēc varam tikai uzkrāt pacietību un neņemt pie sirds ziņas par jaunām baterijām. Vismaz līdz brīdim, kad būs ziņas par to masveida ražošanas uzsākšanu, kad nav šaubu par jaunās tehnoloģijas dzīvotspēju.
Baterijas ir noteikums "visu vai neko". Bez nākamās paaudzes enerģijas uzglabāšanas nebūs pagrieziena punkta ne enerģētikas politikā, ne elektrisko transportlīdzekļu tirgū.
IT nozarē postulētais Mūra likums sola procesora veiktspējas pieaugumu ik pēc diviem gadiem. Bateriju attīstība atpaliek: to efektivitāte palielinās vidēji par 7% gadā. Un, lai gan litija jonu akumulatori mūsdienu viedtālruņos darbojas arvien ilgāk, tas lielā mērā ir saistīts ar mikroshēmu optimizēto veiktspēju.
Litija jonu akumulatori dominē tirgū to vieglā svara un lielā enerģijas blīvuma dēļ.
Katru gadu mobilajās ierīcēs, elektriskajos transportlīdzekļos un atjaunojamās enerģijas uzglabāšanas sistēmās tiek uzstādīti miljardi akumulatoru. Tomēr modernās tehnoloģijas ir sasniegusi savu robežu.
Labā ziņa ir tā nākamās paaudzes litija jonu akumulatori jau gandrīz atbilst tirgus prasībām. Viņi izmanto litiju kā uzglabāšanas materiālu, kas teorētiski ļauj desmitkārtīgi palielināt enerģijas uzkrāšanas blīvumu.
Līdztekus tam tiek sniegti arī citu materiālu pētījumi. Lai gan litijs nodrošina pieņemamu enerģijas blīvumu, mēs runājam par dizainparaugiem, kas ir vairākas kārtas optimālāki un lētāki. Galu galā daba varētu mūs nodrošināt labākās shēmas augstas kvalitātes akumulatoriem.
Universitātes pētniecības laboratorijas izstrādā pirmos prototipus organiskās baterijas. Tomēr var paiet vairāk nekā viena desmitgade, pirms šādas bioakumulatori nonāks tirgū. Tilts uz nākotni palīdz izstiept maza izmēra akumulatorus, kas tiek uzlādēti, uztverot enerģiju.
Mobilie barošanas avoti
Pēc Gartner datiem, šogad tiks pārdoti vairāk nekā 2 miljardi mobilo ierīču, katrā no tām ir litija jonu akumulators. Šīs baterijas mūsdienās tiek uzskatītas par standartiem, daļēji tāpēc, ka tās ir tik vieglas. Tomēr to maksimālais enerģijas blīvums ir tikai 150–200 Wh/kg.
Litija jonu akumulatori uzlādē un atbrīvo enerģiju, kustinot litija jonus. Uzlādējot, pozitīvi lādētie joni pārvietojas no katoda caur elektrolīta šķīdumu starp anoda grafīta slāņiem, uzkrājas tur un piesaista lādēšanas strāvas elektronus.
Izlādējoties, tie izdala elektronus strāvas ķēdē, litija joni virzās atpakaļ uz katodu, kurā tie atkal saistās ar metālu (vairumā gadījumu kobaltu) un skābekli, kas atrodas tajā.
Litija jonu akumulatoru kapacitāte ir atkarīga no tā, cik daudz litija jonu var atrasties starp grafīta slāņiem. Tomēr, pateicoties silīcijam, šodien jūs varat sasniegt vairāk efektīvs darbs baterijas.
Salīdzinājumam, ir nepieciešami seši oglekļa atomi, lai saistītu vienu litija jonu. No otras puses, viens silīcija atoms var saturēt četrus litija jonus.
Litija jonu akumulators elektrību uzglabā litijā. Kad anods ir uzlādēts, litija atomi tiek glabāti starp grafīta slāņiem. Izlādējoties, tie ziedo elektronus un litija jonu veidā pārvietojas katoda slāņainajā struktūrā (litija kobaltīts).
Silīcijs palielina kapacitāti
Bateriju kapacitāte palielinās, ja starp grafīta slāņiem ir iekļauts silīcijs. Tas palielinās trīs līdz četras reizes, kad silīciju apvieno ar litiju, bet pēc vairākiem uzlādes cikliem grafīta slānis saplīst.
Šīs problēmas risinājums ir atrodams starta projekts Amprius radījuši Stenfordas universitātes zinātnieki. Amprius projekts saņēma atbalstu no tādiem cilvēkiem kā Ēriks Šmits (Google direktoru padomes priekšsēdētājs) un Nobela prēmijas laureāts Stīvens Ču (līdz 2013. gadam – ASV enerģētikas ministrs).
Porains silīcijs anodā palielina litija jonu akumulatoru efektivitāti līdz pat 50%. Īstenojot Amprius starta projektu, tika ražotas pirmās silīcija baterijas. Šī projekta ietvaros ir pieejamas trīs metodes "grafīta problēmas" risināšanai. Pirmais ir porainā silīcija uzklāšana, ko var uzskatīt par "sūkli". Uzglabājot litiju, tā apjoms palielinās ļoti maz, tāpēc grafīta slāņi paliek neskarti. Amprius var radīt akumulatorus, kas uzglabā līdz pat 50% vairāk enerģijas nekā parastie akumulatori.
Enerģijas uzkrāšanā efektīvāk nekā porains silīcijs silīcija nanocauruļu slānis. Prototipos tika panākts gandrīz divkāršs uzlādes jaudas pieaugums (līdz 350 Wh/kg).
"Sūklim" un caurulēm joprojām jābūt pārklātām ar grafītu, jo silīcijs reaģē ar elektrolīta šķīdumu un tādējādi samazina akumulatora darbības laiku.
Bet ir arī trešā metode. Ampirus projekta pētnieki injicēja oglekļa apvalku silīcija daļiņu grupas, kas tieši nesaskaras, bet nodrošina brīvu vietu daļiņu apjoma palielināšanai. Litijs var uzkrāties uz šīm daļiņām, un apvalks paliek neskarts. Pat pēc tūkstoš uzlādes cikliem prototipa jauda tika samazināta tikai par 3%.
Silīcijs apvienojas ar vairākiem litija atomiem, bet procesā izplešas. Lai novērstu grafīta iznīcināšanu, pētnieki izmanto granātābolu auga struktūru: viņi ievada silīciju grafīta apvalkos, kas ir pietiekami lieli, lai papildus piestiprinātu litiju. Daudzi uzskata, ka autobūves nākotne ir saistīta ar elektromobiļiem. Ārzemēs ir rēķini, saskaņā ar kuriem daļai ik gadu pārdoto automašīnu jābūt vai nu hibrīdiem, vai jābrauc ar elektrību, tāpēc nauda tiek ieguldīta ne tikai šādu auto reklamēšanā, bet arī degvielas uzpildes staciju celtniecībā.
Tomēr daudzi joprojām gaida, kad elektromobiļi kļūs par īstiem konkurentiem. tradicionālās automašīnas. Vai varbūt tas notiks, kad samazināsies uzlādes laiks un laiks akumulatora darbības laiks palielināt? Iespējams, grafēna baterijas palīdzēs cilvēcei šajā jautājumā.
Kas ir grafēns?
Revolucionārs nākamās paaudzes materiāls, vieglākais un spēcīgākais, elektriski vadošākais – tas viss ir par grafēnu, kas ir nekas vairāk kā viena atoma biezs divdimensiju oglekļa režģis. Grafēna radītāji Konstantīns Novoselovs saņēma Nobela prēmiju. Parasti starp atvēršanu un palaišanu praktiska izmantošanaŠis atklājums praksē prasa ilgu laiku, dažkārt pat gadu desmitus, taču grafēnam šāds liktenis nepiedzīvoja. Varbūt tas ir saistīts ar faktu, ka Novoselovs un Geims neslēpa tā ražošanas tehnoloģiju.
Viņi par to ne tikai pastāstīja visai pasaulei, bet arī parādīja: vietnē YouTube ir video, kurā Konstantīns Novoselovs detalizēti stāsta par šo tehnoloģiju. Tāpēc, iespējams, drīz mēs pat varēsim izgatavot grafēna baterijas ar savām rokām.
Notikumi
Mēģinājumi izmantot grafēnu bija gandrīz visās zinātnes jomās. Tas tika izmēģināts saules paneļi, austiņas, korpusus un pat mēģināju ārstēt vēzi. Tomēr šobrīd viena no daudzsološākajām un cilvēcei nepieciešamākajām lietām ir grafēna baterija. Atgādiniet, ka ar tādu neapstrīdamu priekšrocību kā lēta un videi draudzīga degviela elektriskajiem transportlīdzekļiem ir nopietns trūkums - salīdzinoši mazs. maksimālais ātrums un jaudas rezerve ne vairāk kā trīs simti kilometru.
Gadsimta problēmas risināšana
Grafēna akumulators darbojas pēc tāda paša principa kā svina akumulatori ar sārmainu vai skābu elektrolītu. Šis princips ir elektroķīmiskā reakcija. Pēc konstrukcijas grafēna akumulators ir līdzīgs litija jonu akumulatoram ar cietu elektrolītu, kurā katods ir ogļu kokss, kas pēc sastāva ir tuvs tīram ogleklim.
Tomēr starp inženieriem, kas izstrādā grafēna baterijas, jau ir divi principiāli atšķirīgi virzieni. Amerikas Savienotajās Valstīs zinātnieki ir ierosinājuši izgatavot katodu no grafēna un silīcija plāksnēm, kas ir savstarpēji savienotas, un anodu no klasiskā litija kobalta. Krievu inženieri ir atraduši citu risinājumu. Toksisko un dārgo litija sāli var aizstāt ar videi draudzīgāku un lētāku magnija oksīdu. Akumulatora ietilpība jebkurā gadījumā tiek palielināta, palielinot jonu pārejas ātrumu no viena elektroda uz otru. Tas ir saistīts ar faktu, ka grafēnam ir augsta likme elektriskā caurlaidība un spēja uzkrāt elektrisko lādiņu.
Zinātnieku viedokļi par inovācijām dalās: Krievijas inženieri apgalvo, ka grafēna akumulatoru ietilpība ir divreiz lielāka nekā litija jonu akumulatoriem, bet ārvalstu kolēģi apgalvo, ka tā ir desmit reizes lielāka.
Grafēna baterijas tika nodotas masveida ražošanā 2015. gadā. Piemēram, ar to nodarbojas Spānijas uzņēmums Graphenano. Pēc ražotāja domām, šo akumulatoru izmantošana elektriskajos transportlīdzekļos loģistikas objektos parāda akumulatora ar grafēna katodu reālās praktiskās iespējas. Priekš pilna uzlāde tas aizņem tikai astoņas minūtes. Maksimālais garums nobraukums spēj arī palielināt grafēna akumulatorus. Uzlādēt par 1000 km, nevis trīs simtiem – to Graphenano Corporation vēlas piedāvāt patērētājam.
Spānija un Ķīna
Sadarbojas ar Graphenano Ķīnas uzņēmums Chint, kas par 18 miljoniem eiro iegādājās 10% Spānijas korporācijas akciju. Kopējie līdzekļi tiks izmantoti, lai uzbūvētu rūpnīcu ar divdesmit ražošanas līnijām. Projektā jau saņemtas aptuveni 30 miljonu investīcijas, kas tiks ieguldītas iekārtu uzstādīšanā un darbinieku algošanā. Saskaņā ar sākotnējo plānu rūpnīcai bija jāsāk ražot aptuveni 80 miljonus akumulatoru. Sākotnējā posmā Ķīnai bija jākļūst par galveno tirgu, un pēc tam tika plānots sākt piegādes uz citām valstīm.
Otrajā kārtā Chint ir gatavs investēt 350 miljonus eiro, lai uzbūvētu vēl vienu rūpnīcu ar aptuveni 5000 darbiniekiem. Šādi skaitļi nepārsteidz, ņemot vērā, ka kopējie ienākumi būs aptuveni trīs miljardi eiro. Turklāt Ķīna, kas pazīstama ar savām vides problēmām, tiks nodrošināta ar videi draudzīgu un lētu "degvielu". Taču, kā redzam, bez skaļiem paziņojumiem pasaule neko neredzēja, tikai testa modeļus. Lai gan arī Volkswagen Corporation paziņoja par nodomu sadarboties ar Graphenano.
Cerības un realitāte
Gads ir 2017. gads, kas nozīmē, ka Grafenano jau divus gadus nodarbojas ar akumulatoru "masveida" ražošanu, bet sastapt elektromobili uz ceļa ir retums ne tikai Krievijai. Visas korporācijas sniegtās īpašības un dati ir diezgan neskaidri. Kopumā tie nesniedzas tālāk par vispārpieņemtajām teorētiskajām idejām par to, kādiem parametriem jābūt elektromobiļa grafēna akumulatoram.
Turklāt līdz šim viss, kas ir pasniegts gan patērētājiem, gan investoriem, ir tikai datoru modeļi, nav īstu prototipu. Problēmas pastiprina fakts, ka grafēns ir materiāls, kura ražošana ir ļoti dārga. Neskatoties uz skaļajiem zinātnieku izteikumiem par to, kā to var "uzdrukāt uz ceļa", šajā posmā var samazināt tikai dažu komponentu izmaksas.
Grafēns un pasaules tirgus
Visādu sazvērestības teoriju piekritēji teiks, ka nevienam nav labums no šāda auto parādīšanās, jo tad nafta aizies otrajā plānā, kas nozīmē, ka samazināsies arī ieņēmumi no tās ražošanas. Tomēr, visticamāk, inženieri saskārās ar dažām problēmām, taču nevēlas to reklamēt. Vārds "grafēns" tagad ir dzirdams, tāpēc daudzi to uzskata, iespējams, zinātnieki nevēlas sabojāt tā slavu.
Problēmas attīstībā
Tomēr lieta var būt tāda, ka materiāls ir patiešām novatorisks, tāpēc pieejai ir nepieciešams atbilstošs. Iespējams, ka baterijām, kurās izmanto grafēnu, vajadzētu būtiski atšķirties no tradicionālajām litija jonu vai litija polimēru baterijām.
Ir vēl viena teorija. Graphenano Corporation teica, ka jaunas baterijas var uzlādēt tikai astoņās minūtēs. Speciālisti apstiprina, ka tas tiešām ir iespējams, tikai strāvas avota jaudai jābūt vismaz vienam megavatam, kas ir iespējams testa apstākļos rūpnīcā, bet ne mājās. Ēka pietiekami degvielas uzpildīšana ar šādu jaudu maksās lielu naudu, vienas uzlādes cena būs diezgan augsta, tāpēc grafēna akumulators automašīnai nedos nekādu labumu.
Prakse rāda, ka revolucionāras tehnoloģijas pasaules tirgū tiek integrētas diezgan ilgu laiku. Lai nodrošinātu produkta drošību, ir jāveic daudzi testi, tāpēc jaunu tehnoloģisko ierīču izlaišana dažkārt tiek aizkavēta uz daudziem gadiem.
Patēriņa ekoloģija Zinātne un tehnoloģijas: elektrisko transportlīdzekļu nākotne lielā mērā ir atkarīga no akumulatoru uzlabošanas – tiem jāsver mazāk, jāuzlādē ātrāk un tajā pašā laikā jāražo vairāk enerģijas.
Elektrisko transportlīdzekļu nākotne lielā mērā ir atkarīga no akumulatoru uzlabojumiem – tiem jāsver mazāk, jāuzlādē ātrāk un joprojām jāražo vairāk enerģijas. Zinātnieki jau ir sasnieguši dažus rezultātus. Inženieru komanda ir radījusi litija-skābekļa akumulatorus, kas netērē enerģiju un var kalpot gadu desmitiem. Un Austrālijas zinātnieks ir prezentējis uz grafēna balstītu jonistoru, kuru var uzlādēt miljons reižu, nezaudējot efektivitāti.
Litija-skābekļa akumulatori ir viegli un rada lielu jaudu, un tie varētu būt ideāli elektrisko transportlīdzekļu komponenti. Bet šīm baterijām ir ievērojams trūkums- tie ātri nolietojas un izdala pārāk daudz enerģijas kā siltumu par velti. Jauns MIT, Argonnes Nacionālās laboratorijas un Pekinas universitātes zinātnieku izstrāde sola atrisināt šo problēmu.
Litija-skābekļa akumulatoros, ko izveidojusi inženieru komanda, tiek izmantotas nanodaļiņas, kas satur litiju un skābekli. Šajā gadījumā, mainoties stāvoklim, skābeklis tiek saglabāts daļiņas iekšpusē un neatgriežas gāzes fāzē. Tas atšķir attīstību no litija-gaisa akumulatoriem, kas ņem skābekli no gaisa un izdala to atmosfērā reversās reakcijas laikā. Jaunā pieeja ļauj samazināt enerģijas zudumus (vērt elektriskais spriegums samazināts gandrīz 5 reizes) un palielināt akumulatora darbības laiku.
Litija-skābekļa tehnoloģija ir arī labi pielāgota reālajiem apstākļiem, atšķirībā no litija-gaisa sistēmām, kas sabojājas, pakļaujoties mitrumam un CO2. Turklāt litija un skābekļa akumulatori ir pasargāti no pārlādēšanas – tiklīdz enerģijas ir par daudz, akumulators pārslēdzas uz cita veida reakciju.
Zinātnieki veica 120 uzlādes-izlādes ciklus, savukārt veiktspēja samazinājās tikai par 2%.
Pagaidām zinātnieki ir radījuši tikai prototipu akumulatoru, bet gada laikā iecerējuši izstrādāt prototipu. Tam nav nepieciešami dārgi materiāli, un ražošana daudzējādā ziņā ir līdzīga tradicionālo litija jonu akumulatoru ražošanai. Ja projekts tiks realizēts, tad tuvākajā nākotnē elektromobiļi uz vienu un to pašu svaru uzkrās divreiz vairāk enerģijas.
Inženieris Svinbērnas Tehnoloģiju universitātē Austrālijā ir atrisinājis vēl vienu problēmu ar akumulatoriem – cik ātri tie uzlādējas. Viņa izstrādātais jonistors tiek uzlādēts gandrīz acumirklī un var tikt izmantots daudzus gadus, nezaudējot efektivitāti.
Han Lin izmantoja grafēnu, kas ir viens no līdz šim spēcīgākajiem materiāliem. Pateicoties šūnveida struktūrai, grafēnam ir liels virsmas laukums enerģijas uzkrāšanai. Zinātnieks 3D izdrukā grafēna loksnes — ražošanas metodi, kas arī samazina izmaksas un palielina apjomu.
Zinātnieka radītais jonistors saražo tik daudz enerģijas uz kilogramu svara, cik litija jonu akumulatori bet uzlādējas dažu sekunžu laikā. Tajā pašā laikā litija vietā tiek izmantots grafēns, kas ir daudz lētāks. Saskaņā ar Han Lin teikto, jonistors var iziet miljoniem uzlādes ciklu, nezaudējot kvalitāti.
Akumulatoru ražošanas nozare nestāv uz vietas. Brāļi Kreiseļi no Austrijas ir radījuši jauna veida akumulatorus, kas sver gandrīz uz pusi mazāk nekā akumulatori Tesla modelis S.
Norvēģu zinātnieki no Oslo universitātes ir izgudrojuši akumulatoru, kas var būt pilnībā. Tomēr to attīstība ir paredzēta pilsētvidei sabiedriskais transports, kas regulāri veic pieturas - katrā no tām autobuss tiks uzlādēts un enerģijas pietiks, lai nokļūtu līdz nākamajai pieturai.
Zinātnieki Kalifornijas Universitātē Īrvinā tuvojas mūžīgas baterijas izveidei. Viņi ir izstrādājuši nanovadu akumulatoru, ko var uzlādēt simtiem tūkstošu reižu.
Un Raisa universitātes inženieriem izdevās izveidot tādu, kas darbojas 150 grādu temperatūrā pēc Celsija, nezaudējot efektivitāti. publicēts
