Графенові батареї: Вступ та новини ринку
Графен, лист атомів вуглецю, пов’язаних між собою у вигляді стільникової решітки, широко визнаний “чудо-матеріалом” завдяки безлічі дивовижних властивостей, якими він володіє. Це потужний провідник електричної та теплової енергії, надзвичайно легкий, хімічно інертний і гнучкий з великою площею поверхні. Він також вважається екологічно чистим і стійким, з необмеженими можливостями для численних застосувань.
Переваги графенових батарей
У сфері акумуляторів традиційні батарея матеріали електродів (і перспективні) значно покращуються при їхньому збагаченні графеном. Графеновий акумулятор може бути легким, міцним і придатним для зберігання енергії великої ємності, а також скоротити час заряджання. Це продовжить термін служби батареї, який негативно пов’язаний з кількістю вуглецю, який наноситься на матеріал або додається до електродів для досягнення провідності, а графен додає провідності, не вимагаючи такої кількості вуглецю, яка використовується в звичайних батареях.
Графен може різними способами покращити такі характеристики батареї, як щільність енергії та форма. Літій-іонні акумулятори (та інші типи акумуляторів) можна вдосконалити, ввівши графен в анод акумулятора і скориставшись провідністю матеріалу та великою площею поверхні, щоб досягти морфологічної оптимізації та продуктивності.
Також було виявлено, що створення гібридних матеріалів також може бути корисним для досягнення покращення роботи акумулятора. Наприклад, гібрид оксиду ванадію (VO2) і графену може бути використаний на літій-іонних катодах і забезпечити швидкий заряд і розряд, а також велику тривалість циклу заряду. У цьому випадку VO2 пропонує високу енергетичну ємність, але погану електропровідність, що може бути вирішено шляхом використання графеновий в якості своєрідного структурного “хребта”, на який можна прикріпити VO2. створення гібридного матеріалу, який має одночасно підвищену ємність і відмінну провідність.
Іншим прикладом є LFP (літій-залізо-фосфатні) батареї, тобто різновид літій-іонних акумуляторів, що перезаряджаються. Він має меншу щільність енергії, ніж інші літій-іонні акумулятори, але більшу щільність потужності (показник швидкості, з якою енергія може бути віддана акумулятором). Покращення катодів LFP за допомогою графену дозволило батареям бути легкими, заряджатися набагато швидше, ніж Li-ion акумулятори, і мати більшу ємність, ніж звичайні LFP акумулятори.
На додаток до революції в галузі батарея на ринку, комбіноване використання графенових батарей і графенових суперконденсаторів може дати дивовижні результати, як, наприклад, згадана концепція збільшення дальності пробігу та ефективності електромобіля. Хоча графенові батареї ще не досягли широкої комерціалізації, по всьому світу повідомляють про прориви в галузі акумуляторів.
Батарея основи
Батареї слугують мобільним джерелом живлення, дозволяючи пристроям, що працюють від електрики, працювати без безпосереднього підключення до розетки. Хоча існує багато типів акумуляторів, основна концепція, за якою вони функціонують, залишається схожою: один або кілька електрохімічних елементів перетворюють накопичену хімічну енергію в електричну. A батарея зазвичай виготовляється з металевого або пластикового корпусу, що містить позитивну клему (анод), негативну клему (катод) та електроліти, які дозволяють іонам рухатися між ними. Сепаратор (проникна полімерна мембрана) створює бар’єр між анодом і катодом для запобігання електричному короткому замиканню, а також дозволяє транспортувати іонні носії заряду, які необхідні для замикання ланцюга під час проходження струму. Нарешті, колектор використовується для проведення заряду зовні батареї, через підключений пристрій.
Коли ланцюг між двома клемами завершується, батарея виробляє електроенергію через низку реакцій. На аноді відбувається реакція окислення, в якій два або більше іонів з електроліту з’єднуються з анодом, утворюючи сполуку, вивільняючи електрони. У той же час на катоді відбувається реакція відновлення, в якій речовина катода, іони та вільні електрони об’єднуються в сполуки. Простіше кажучи, реакція на аноді виробляє електрони, тоді як реакція на катоді їх поглинає, і в результаті цього процесу виробляється електрика. Батарея продовжуватиме виробляти електроенергію доти, доки на електродах не закінчиться речовина, необхідна для протікання реакцій.
Типи та характеристики акумуляторів
Батареї поділяються на два основних типи: первинні та вторинні. Первинні батареї (одноразові), використовуються один раз і стають непридатними, оскільки матеріали електродів у них незворотно змінюються під час заряджання. Поширеними прикладами є цинково-вуглецеві батареї, а також лужні батареї, що використовуються в іграшках, ліхтариках та багатьох портативних пристроях. Вторинні акумулятори (перезаряджаються), можуть розряджатися і перезаряджатися багаторазово, оскільки первинний склад електродів здатний відновлювати функціональність. Прикладами є свинцево-кислотні акумулятори, що використовуються в транспортних засобах, та літій-іонні акумулятори, що використовуються для портативної електроніки.
Батареї бувають різних форм і розмірів для незліченної кількості різних цілей. Різні типи батарей мають різні переваги та недоліки. Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори мають відносно низьку щільність енергії і використовуються там, де тривалий термін служби, висока швидкість розряду і економічна ціна є ключовими факторами. Їх можна знайти у відеокамерах та електроінструментах, серед іншого. NiCd акумулятори містять токсичні метали і є екологічно несприятливими. Нікель-метал-гідридні акумулятори мають вищу щільність енергії, ніж нікель-кадмієві, але й коротший термін служби. Застосовуються в мобільних телефонах і ноутбуках. Свинцево-кислотні батареї важкі і відіграють важливу роль у великих енергетичних системах, де вага не має значення, але економічна ціна має значення. Вони переважають у таких сферах, як лікарняне обладнання та аварійне освітлення.
Літій-іонні (Li-ion) батареї використовуються там, де важлива висока енергія і мінімальна вага, але технологія є крихкою і для забезпечення безпеки необхідна схема захисту. Застосування включають клітина телефони та різні види комп’ютерів. Літій-іонні полімерні (Li-ion полімерні) акумулятори найчастіше зустрічаються в мобільних телефонах. Вони легкі і мають більш тонку форму, ніж літій-іонні акумулятори. Вони також зазвичай безпечніші та мають довший термін служби. Однак вони, здається, менш поширені, оскільки літій-іонні акумулятори дешевші у виробництві та мають вищу щільність енергії.
Що таке графен
Графен походить від “графіту”, матеріалу, з якого виготовляють олівці. Графіт, по суті, є тривимірним розташуванням атомів вуглецю. Коли ви змінюєте розташування атомів на двовимірну структуру, тобто пласку, ви отримуєте графен. Графен був лише теорією до 2004 року, коли двоє вчених з Манчестерського університету створили перший зразок цієї речовини, а згодом отримали Нобелівську премію миру в 2010 році.
Це може здатися незначним, але зміна розташування атомів з 3D на 2D відкриває неймовірні фізичні властивості. Для кращого контексту,
- Графен у понад 100 разів міцніший за сталь.
- Він неймовірно тонкий при товщині всього в один атом.
- Він настільки міцний, що лише два атомні шари матеріалу є куленепробивними.
- Він майже повністю прозорий.
- Графен надзвичайно легкий.
- Це найкращий провідник електрики та тепла, відомий людині.
Властивості провідності роблять його ідеальним для електричних застосувань.
Переваги графенових батарей
Час заряджання
Зі звичайним неграфеновим літій-іонним телефон батарея ємністю близько 3000 мАг, тобто приблизно 1.5 годин, щоб отримати від 0 до 100%. Для акумуляторів з графеновим покриттям для цього потрібно 20 хвилин, і вам потрібно використовувати 60-ватний зарядний пристрій. Якби ви закачали 60 Вт у звичайну батарею, вона б сама себе підсмажила.
Термін служби акумулятора
Графеновий акумулятор також має довший термін служби. Більшість телефон батареї можуть тривати близько 600 циклів зарядки. Ці нові (графенові) батареї розраховані на 1500 циклів для тієї ж ємності.
Безпека
На додаток до всього, він також безпечніший за звичайні батареї. Це пов’язано з тим, що мобільний генерує набагато менше тепла і працює набагато прохолодніше. Графен – дивовижний провідник тепла та електрики. Літієві батареї погано справляються, коли ви вкладаєте багато енергії або коли виймаєте багато енергії.
Графен можна застосовувати двома різними способами. Його можна змішувати в розчині з літієм. Інший спосіб – його можна додати як композитний шар, як, наприклад, лист у літієву батарею. Таким чином, він діє як провідник для електрики і не генерує стільки тепла.
Ви вже можете придбати акумулятори з графеновим покриттям. Вони випускаються у вигляді павербанка на 10 000 мАг. Вони повністю заряджаються з порожнього стану приблизно за півгодини за допомогою 100-ватного зарядного пристрою. Існують також більші версії, які мають вдвічі більшу ємність. Найцікавіше, що це тільки початок. Виробники графенових батарей працюють над створенням графенових батарей для всього, від розумних годинників до гольф-карів на акумуляторах.
Протягом року ми побачимо графенові батареї в пристроях великих брендів, не в кожному окремому пристрої, але потроху. Деякі компанії, які стверджують, що використовують графен, насправді використовують графіт, тривимірного двоюрідного брата графена. Тому вони не мають жодної з дивовижних переваг. Однією з компаній, яка є піонером у розробці технології графенових батарей, є Real Graphene, що базується в Лос-Анджелесі.
Вартість
Графен Кілька років тому графен був надзвичайно дорогим, один кілограм графена коштував 300 000. Завдяки вдосконаленню виробничого процесу ця вартість різко падає. У 2010 році вона становила близько 450 000 на кубічний сантиметр, а зараз – лише 1 відсоток. Середній лист коштує близько 25, і це ключ до того, чому графен нарешті виходить на масовий ринок.
Недоліком є те, що графеновий акумулятор додасть близько 30% додаткових витрат на компонент акумулятора телефон. Але я впевнений, що більшість споживачів високого класу не заперечують. Щоб бути абсолютно зрозумілим, навіть якщо загальний час роботи акумулятора збільшується з точки зору життєвого циклу, фактична ємність збільшилася не так вже й сильно. У світі акумуляторів останньою перешкодою, що залишилася, є збільшення ємності на одиницю об’єму.
Коли графенова технологія буде повністю зрілою, це може означати світові зміни не лише для мобільних телефонів та ноутбуків, але й для електромобілів та електричних літаків, не кажучи вже про зберігання енергії в мережі. Крім того, він може змінити матеріалознавство та інженерію, якими ми їх знаємо.
Що таке графенові павербанки?
Графенові павербанки – це, по суті, портативні павербанки, вдосконалені за допомогою графен акумулятора.
Графен – найпровідніший у світі матеріал з надвисокою теплопровідністю, що значно збільшує час заряджання. Замість того, щоб годинами чекати, поки ваш пристрій зарядиться, підключивши графеновий акумулятор, ви зможете повністю зарядити його всього за кілька хвилин. Наш графеновий зарядний пристрій Flash може повністю зарядитися всього за 1 годину і 10 хвилин (20 000 мАг) або на 80% (16 000 мАг) всього за 35 хвилин. що робить його в 10 разів швидшим за традиційні портативні павербанки.
У той час як традиційні літій-іонні акумулятори, як очікується, витримують близько 500 циклів заряджання, графен-вдосконалені акумулятори потроюють цей показник, витримуючи приблизно 1500 циклів заряджання! Крім того, термін служби графенової батареї набагато довший, ніж у літій-іонної, яка служить два-три роки.
Графенові акумулятори – нова технологія. Сам матеріал являє собою композицію атомів вуглецю, щільно пов’язаних у стільникову структуру. Він настільки легкий, що ця структура має товщину всього в один атомний шар, що робить графен 2D-структурою.
Через високу вартість виробництва графену, павербанки, що використовують графенову технологію, є відносно новими і не мають широкого масового виробництва.
Чи швидко заряджаються графенові павербанки?
Графен має вищу електропровідність, ніж у літієвих батарей. Це означає більш швидку зарядку елементів, які можуть подавати дуже високі струми, що призводить до надшвидкого часу зарядки.
Літій-іонний акумулятор зберігає до 180 Вт-год енергії на кілограм, тоді як графен може зберігати до 1 000 Вт-год на кілограм. Надшвидкий час заряджання – один з найкращих і найважливіших аспектів технології графенових акумуляторів.
Хоча існують технології для швидкої зарядки літій-іонних акумуляторів, вони все ще мають деякі обмеження. Занадто велика потужність може призвести до того, що батарея зламається або навіть вибухне.
Різниця з графеновий акумулятор павербанків полягає в тому, що вони можуть значно скоротити час заряджання від нуля до повного. Наприклад, літій-іонний акумулятор ємністю 3 000 мАг може заряджатися до 90 хвилин, тоді як графеновий акумулятор такої ж ємності зарядиться приблизно за чверть цього часу. Графен просто краще справляється з більшою потужністю електроенергії, що відрізняє його від літієвих батарей.
Що таке графеновий акумулятор?
Графен – фантастичний провідник тепла та електрики. На відміну від літію, який не дуже добре заряджається, коли ви вкладаєте в нього багато енергії, графен є найбільш провідним матеріалом у світі. що робить його кардинально новим у технології акумуляторів.
Графен дуже легкий, і навіть 5 його листів матимуть товщину лише 5 атомів. Це означає, що графенові батареї надзвичайно легкі та транспортабельні. Ідеальний партнер для портативних павербанків.
Графенові батареї добре зарекомендували себе і бувають різних форм. Їх можна використовувати для живлення будь-чого – від годинників до електромобілів.
Чи є графенові батареї майбутнім?
Ці батареї все ще відносно нові, і знадобиться деякий час, щоб стати більш доступними, оскільки технологія все ще розвивається. Однак, як тільки вони це зроблять, ви можете очікувати побачити графен акумулятори, що використовуються майже у всіх електричних приладах і пристроях.
У майбутньому графенові батареї повинні замінити літій-іонні батареї. Великі технологічні компанії знають про обмеження, які має літій, і вже шукають шляхи, як почати виробництво графенових батарей у більших масштабах. Адже ці батареї не тільки високопродуктивні, але й більш екологічні, ніж літій-іонні, і їх набагато легше переробляти.
Найбільша перешкода, яку потрібно подолати зараз – це надзвичайно висока вартість виробництва. Однак, у міру зростання популярності і попиту, виробництво може стати більш досконалим і економічно ефективним. що дозволить ринку стати більш адаптивним.
На даний момент одним з найбільш життєздатних способів інтеграції графенових батарей в пристрої є використання їх в поєднанні з традиційними літій-іонними акумуляторами.
Таким чином, такі великі компанії, як Tesla Motors, Samsung і Microsoft, натякають на розробку графенових батарей наступного покоління, які можуть привести нас до майбутнього прогресу в технології акумуляторів.
З Chargeasap ви можете долучитися до процесу вже з нашими існуючими графеновими павербанками, налаштованими на зміну способу заряджання!
Акумулятори на основі графену забезпечують довший термін служби
Якщо ви є частим користувачем смартфона або планшета, ви як ніхто інший знаєте, що мобільність – це чарівне слово. Однак, коли востаннє ваш iPad підключали до електромережі для підзарядки акумулятора?? Ймовірно, менше 24 годин тому. Що, якби графен дав світові проривну технологію, яка дозволила б батареям працювати втричі довше? Саме на це націлений стартап California Lithium Battery, що базується в Лос-Анджелесі.
Незважаючи на очевидний ринок мобільних телефонів/планшетів, це не головна мета цієї молодої компанії. Два основні сектори, які California Lithium Battery хоче завоювати, – це електромобілі та менш відомі мережеві сховища електроенергії.
Сфокусовані дослідження, спрямовані на захист довкілля
Проф. Гарольд Кунг є головним дослідником технології, яка була детально описана рік тому. Як дослідник Північно-Західного університету, він намагався розробити ефективний спосіб збільшити термін служби акумуляторів. П’ять років тому він та його команда почали досліджувати композит Si-Graphene і були зосереджені на зменшенні викидів вуглецю від транспортних засобів.
Я дослідив, чому люди не люблять купувати електромобілі, і виявилося, що це через час автономної роботи. Отже, розглядаючи це, ми сказали: “Що ми можемо з цим зробити??’ Підвищення щільності енергії та покращення енергопостачання.
Результат не забарився. Замість використання класичного графіту на аноді їх акумуляторна батарея, команда використовувала Si-Graphene, шаруватий матеріал, що містить кремній і графен. Ідея була опублікована в жовтні 2011 року в журналі Передові енергетичні матеріали.
Від лабораторії до ринку
Всього через рік після цього компанія California Lithium Battery, очолювана Філ Робертс, співпрацювала з Аргонською національною лабораторією і оголосила про важливу віху для нової технології. Новий тип анода, названий GEN3, який містить SI-графен і використовується з передовими матеріалами катода і електроліту, збільшує щільність енергії в 3 рази і питому ємність анода в 4 рази в порівнянні з існуючими літій-іонними батареями (LIBs). Вони стверджують, що :
Незалежна повна елемент Тести показують, що їхні експлуатаційні характеристики – щільність енергії 525 Вт-год/кг і питома анодна ємність 1250 мАг/г – дуже високі. Для порівняння, більшість комерційних LIB мають щільність енергії в межах 100-180 Вт-год/кг і питому анодну ємність 325 мАг/г. Це означає більш ніж 300% поліпшення ємності LIB і приблизно 70% скорочення витрат на батареї протягом усього терміну служби.
Компанія планує почати промислове виробництво нового GEN3 протягом двох років. Філ Робертс, генеральний директор компанії, вважає, що вони замінять графітові аноди в більшості літієвих батарей протягом наступних 2-3 років.
Графен у ваших автомобілях, мобільних телефонах та ноутбуках
Якщо технологія досягне своєї мети, LIB можна буде виробляти за ціною менше 175 євро/кВт-год (135 євро/кВт-год) і конкурувати з вартістю автомобілів, що працюють на викопному паливі. В даний час автомобільна промисловість шукає ефективну технологію зберігання енергії, щоб зменшити витрати і вагу, а також збільшити термін служби.
Однак першими предметами повсякденного життя, які отримають вигоду від графенової батареї, ймовірно, будуть портативні електронні пристрої. Незважаючи на те, що Кунг не бере безпосередньої участі в компанії, він зараз заповнює патент на один з варіантів технології. Він веде переговори з мобільний телефон компанії для комерціалізації власної батареї на основі графену.
Швидкість, з якою графен вийшов з лабораторії в перші ряди передових технологій, досить незвична. Відкритий у 2004 році, він отримав Нобелівську премію в 2010 році, і люди вже думають про його використання в мобільних пристроях не пізніше 2014 року. Отже, всього через 10 років після його відкриття. Тут, у Graphenea, ми віримо, що зараз відбувається революція, і ми допомагаємо іншим компаніям працювати з найкращими графеновими продуктами. Це те, до чого ми прагнемо, і це те, що ми робимо.
Якщо ви хочете слідкувати за новинами про графен, пропонуємо вам підписатися на розсилку та слідкувати за нами вконтакті або в гуглі.
