Всё, что вы хотели знать о графеновых аккумуляторах: принцип работы, история разработки, текущее состояние технологии, будущие перспективы.
Аккумуляторная технология, разработанная Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией и компанией Vorbeck Materials, позволяет подзаряжать электроинструменты всего за несколько минут. Кроме того, технология графеновых аккумуляторов обеспечивает повышенную ёмкость благодаря применению кремниевых анодов вместо углеродных.
Некоторые производители, например Positec, уже используют графеновую технологию в некоторых портативных электроинструментах.
Что такое графен?
Графен — это однослойная структура из атомов углерода. Эти атомы расположены в виде шестигранной кристаллической решётки. Графен представляет собой почти двухмерный материал с уникальными физическими и химическими свойствами, в том числе высокой электрической проводимостью, отличной прочностью и высокой теплопроводностью.
Фактически, графен проводит электричество в 100 раз эффективнее меди и пропускает электроны в 140 раз быстрее кремния. Именно это позволяет использовать графен для быстрой зарядки аккумуляторов.
Производители и учёные считают графен многообещающим материалом для широкого ряда задач. Судя по результатам исследований и использования технологии на практике графен может сыграть огромную роль в электронике и разработке накопителей энергии. Учитывая уникальные свойства графена, он вполне способен совершить революцию в этих сферах.
Кто изобрёл графеновые аккумуляторы?
Изобретение графеновых аккумуляторов началось с открытия того, как получить графен в форме одноатомного слоя. Как правило, это открытие приписывается группе исследователей из Манчестерского университета. Группа, во главе которой стояли лауреаты Нобелевской премии сэр Андре Гейм и русско-британский физик Константин Новосёлов, открыла некоторые интересные свойства графена в 2004 году.
В течение одного из экспериментов учёные использовали скотч, чтобы отделить углеродные «хлопья» от куска графита. Заметив, что некоторые налипшие слои тоньше других, учёные продолжили эксперименты, отделяя новые фрагменты графита от этих слоёв. В результате они получили слой толщиной всего в один атом. Этот эксперимент стал первым случаем отделения графена.
Использование графена в литий-ионных аккумуляторах
Компания Vorbeck Materials объединилась с Ильханом Аксаем, профессором химической и био-инженерии в Принстонском университете. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория доказала, что графен — одноатомный слой углерода — может заметно улучшить мощность и стабильность работы литий-ионных аккумуляторов. Также при этом сохраняется высокая энергоёмкость.
В 2016 году компания Dongxu Optoelectronic Technology выпустила аккумулятор G-King ёмкостью 4800 мАч. Этот аккумулятор заряжался менее чем за 15 минут и мог выдержать до 3500 рабочих циклов.
«Графеновый шарик» от Samsung
В 2017 году научно-исследовательский центр Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) представил уникальный материал для аккумуляторов — «графеновый шарик». Он обеспечил увеличение ёмкости на 45%, а также уменьшение скорости зарядки в пять раз по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами.
Новая технология — огромное преимущество как для мобильных устройств, так и для электротранспорта. «Графеновые шарики» могут поддерживать постоянную температуру 60°C.
Samsung разработал способ синтеза графена в трёхмерную структуру при помощи диоксида кремния и использования его в аккумуляторах. Материал используется в качестве защитного слоя анода и в качестве материала для катода.
Графеновые аккумуляторы лучше литий-ионных?
Стандартные литий-ионные аккумуляторы продолжают развиваться, но никаких серьёзных шагов к сокращению времени зарядки сделано не было. Графеновые аккумуляторы имеют два огромных преимущества:
- Бóльшая энергоёмкость при том же размере.
- Быстрая зарядка благодаря большей электропроводности.
Аккумуляторы работают за счёт транспортировки ионов лития между катодом и анодом через жидкий электролит. Для этого требуется некоторое время. Использование графена обеспечивает транспортировку большего количества ионов, а также повышает скорость.
Графеновая нанотехнология также будет применяться для производства многоразовых анодов на кремниевой основе. Это увеличит ёмкость аккумулятора. В результате графеновый аккумулятор выглядит следующим образом:
Бóльшая ёмкость + быстрая зарядка + стабильная температура работы без перегрева.
Что значит использование графеновых аккумуляторов для электроинструментов
Учитывая, что использование графена обеспечивает ускоренную зарядку, бóльшую мощность и защиту от перегрева, преимущества для инструментов очевидны. Высокопроизводительная аккумуляторная дрель или циркулярная пила сможет зарядиться за несколько минут вместо часа. Кроме того, время работы увеличится в пять раз.
Помимо этого, быстрая зарядка означает быстрый расход бóльшего количества энергии при работе. Это потенциально приведёт к появлению более мощных аккумуляторных инструментов и оборудования. Обеспечение достаточной мощности больше не будет проблемой.
Наконец, такое снижение времени зарядки приведёт к тому, что понятие «работа от аккумулятора весь день» станет распространяться на более крупные инструменты. С быстрой зарядкой аккумуляторов даже большие инструменты смогут работать на одном аккумуляторе, пока второй заряжается. Учитывая, что время зарядки меньше, чем время работы от аккумулятора, пользователь получает возможность использовать инструмент весь день.
Другие плюсы применения графена в ячейках литий-ионных аккумуляторов
Исследователи выражают большую уверенность в использовании графена как улучшенного проводника. Согласно их заявлениям, графеновые аккумуляторы для мобильных телефонов, которые сейчас заряжаются за 1-5 часов, смогут делать это за 10 минут!
Текущее состояние графеновой технологии
Графеновые аккумуляторы уже появились в продаже. Инструменты CAT используют графеновую технологию, которая позволяет заряжать аккумулятор 5 Ач меньше чем за 20 минут. Срок службы увеличен в четыре раза по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, нагрев при работе снижен. Другие компании наверняка скоро последуют этому примеру — возможно, некоторые из них уже выпустили графеновые аккумуляторы, но ещё не успели заявить об этом.
Графеновые суперконденсаторы
На рынке появляется нечто очень интересное — графеновые суперконденсаторы. Компания Skeleton уже выпустила несколько таких товаров, в том числе линейку SkelCap. Такие суперконденсаторы отличаются высокой энергоёмкостью при сниженном внутреннем сопротивлении.
Высокая энергоёмкость делает такие аккумуляторы подходящими для электротранспорта, в том числе тяжёлого и промышленного. В этих сферах вес и ёмкость играют ключевую роль для эффективности транспорта.
Графеновые суперконденсаторы также генерируют меньше тепла — даже под высокой нагрузкой. Искривлённая структура обеспечивает бóльшую площадь поверхности графенового слоя, что снижает сопротивление при передаче электрического тока и повышает эффективность.
Наконец, Skeleton утверждает, что графеновые суперконденсаторы имеют срок службы более 15 лет. При использовании в электротранспорте и тяжёлом оборудовании это важно. Мы ожидаем увидеть использование этой технологии в коммерческом транспорте и электротранспорте.
Графеновые высокотемпературные литий-ионные аккумуляторы Huawei
В 2016 году китайская компания Huawei объявила о важном прорыве в своих исследованиях литий-ионной технологии. На посвящённом аккумуляторам симпозиуме в Японии компания представила первый в мире литий-ионный аккумулятор на основе графена с длительным сроком работы и способностью выдерживать высокую температуру. Тогда утверждалось о разнице в 5°C по сравнению с другими аккумуляторами.
На практике разница составила 10°C. Это делает возможной работу в зонах с жарким климатом и частыми отключениями электроэнергии (например, в Африке), а также использование аккумуляторов в электротранспорте.
В 2023 году эта технология используется для охлаждения мобильных аккумуляторов при помощи графеновой плёнки. Таким образом, Huawei продолжает полагаться на высокую теплопроводность графена вместо использования его в самих аккумуляторах.
Также Huawei планирует использовать графен в полупроводниках и транзисторах для разработки новых чипов, которые придут на смену традиционной кремниевой технологии. Использование графена (в чипах на углеродных нанотрубках) потенциально может ускорить передачу информации и снизить стоимость.
Самозаряжающиеся аккумуляторы с оксидом графена от Strategic Elements
Strategic Elements работает над новой аккумуляторной технологией, в которой используются жидкие чернила на основе оксида графена. Процесс включает нанесение графеновых чернил на стекло. Теоретически, это сделает возможным получение энергии из влаги, находящейся в воздухе или на коже, для самозарядки аккумулятора всего за несколько минут. Strategic Elements работает над этой технологией вместе с университетом Нового Южного Уэльса. Новая технология нацелена на рынок устройств IOT («Интернет вещей»).
Аккумулятор, способный заряжаться от влаги в воздухе или на коже пользователя, звучит как отличный вариант для часов, маломощных электронных книг и других устройств.
Графеновый алюминий-ионный аккумулятор от GMG
GMG в сотрудничестве с Квинследским университетом и UniQuest разрабатывает графеновую алюминий-ионную технологию. По сравнению с существующими аккумуляторами новый продукт предлагает более высокую мощность и энергоёмкость. Заявляется об увеличении срока работы в три раза и ускорении зарядки в 70 раз.
По состоянию на июнь 2022 GMG уже выпустила графеновые алюминий-ионные аккумуляторы в формате «пакетных ячеек». В дальнейших планах — постройка предприятия по производству миниатюрных графеновых алюминий-ионных аккумуляторов (G+AI), а впоследствии — массовое параллельное производство аккумуляторов с пакетными ячейками.
Твердотельные графеновые аккумуляторы NASA SABERS
У NASA есть платы по развитию твердотельных графеновых аккумуляторов SABERS. В переводе с английского SABERS расшифровывается как «твердотельные аккумуляторы для улучшенной подзарядки и повышенной безопасности». Аккумуляторы находятся в разработке в исследовательских центрах Glenn и Langley. Цель исследований — выполнить задачи, которые раньше казались невозможными: например, разработка аккумуляторных летательных средств.
Чтобы сделать аккумулятор подходящим для этой цели, требуется несколько вещей: высокая энергоёмкость, минимально возможный вес, способность быстро заряжаться и возможность увеличить параметры для любой задачи.
Также для питания летательного средства, перевозящего сотни пассажиров, требуется максимальная безопасность. Это означает исключение любых потенциально токсичных и легковоспламеняющихся химикатов. Согласно отчётам, SABERS находится на пути к тому, чтобы представить подходящее решение… рано или поздно.
Твердотельные графеновые аккумуляторы SABERS на данный момент способны обеспечить ёмкость 500 Втч/кг. По сравнению с лучшими существующими технологиями, используемыми в электротранспорте, это почти в два раза больше ёмкости. Для полёта требуется около 480 Втч.
Будущее графеновых аккумуляторов
Графеновая нанотехнология остаётся сложным и дорогостоящим процессом. При дальнейших исследованиях и экономии за счёт массовости технология сможет увеличить время работы аккумуляторных электроинструментов, а также повысить мощность при сохранении небольших размеров. Отсутствие перегрева и быстрая зарядка — дополнительные факторы, благодаря которым технология может произвести революцию в сфере электроинструментов, электротранспорта и тяжёлого оборудования в течении следующих 5-10 лет.
Скорее всего, графеновая технология повлияет на все области: твердотельные аккумуляторы, охлаждение, использование искривлённой структуры для ускорения зарядки, полная интеграция в аноды и катоды. Возможности огромны: подключите графеновый аккумулятор к электротранспорту, и вы получите более 1600 км на одном заряде, а также возможность заряжать авто быстрее, чем современные модели, обеспечивающие ~500 км/заряд.
Это определённо поражает воображение!
Аккумуляторы для электроинструмента известных брендов
- makita-line.ru <<< MAKITA
- dewalt.line-tools.ru <<< DEWALT
- metabo-line.ru <<< METABO
- aeg-line.ru <<< AEG
- ryobi-line.ru <<< RYOBI
- elitech-line.ru <<< ELITECH
- pt-line.ru <<< BOSCH