Мнозина смятат, че бъдещето на автомобилната индустрия е в електрическите автомобили. В чужбина има сметки, според които част от колите, които се продават годишно, трябва да са или хибриди, или да се движат на ток, така че се инвестират пари не само в реклама на такива автомобили, но и в изграждането на бензиностанции.
Въпреки това, много хора все още чакат електрическите автомобили да станат истински съперници на традиционните автомобили. Или може би това ще се случи, когато времето за зареждане намалее и времето живот на батериятаще се увеличи ли Може би графеновите батерии ще помогнат на човечеството с това.
Какво е графен?
Революционен материал от ново поколение, най-лекият и най-здравият, най-електропроводимият - всичко това е за графен, който не е нищо повече от двуизмерна въглеродна решетка с дебелина един атом. Създателите на графена Константин Новоселов получиха Нобелова награда. Обикновено между отваряне и стартиране практическа употребатова откритие се прилага на практика дълго време, понякога дори десетилетия, но графенът не е претърпял такава съдба. Може би това се дължи на факта, че Новоселов и Играта не са скрили технологията на неговото производство.
Те не само казаха на целия свят за това, но и го показаха: в YouTube има видео, където Константин Новоселов говори подробно за тази технология. Следователно може би скоро дори ще можем да правим графенови батерии със собствените си ръце.
Разработки
Има опити за използване на графен в почти всички области на науката. Пробвано е в захранван от слънчева енергия, слушалки, калъфи и дори се опита да лекува рак. Въпреки това, на този моментедно от най-обещаващите и необходими неща за човечеството е графенова батерия. Нека си припомним това с това неоспоримо предимство, като евтино и екологично гориво, електрическите превозни средства имат сериозен недостатък - сравнително малък максимална скорости резерв на мощност от не повече от триста километра.
Решението на проблема на века
Графеновата батерия работи на същия принцип като оловната батерия с алкален или киселинен електролит. Този принцип е електрохимична реакция. Дизайнът на графенова батерия е подобен на литиево-йонна батерия с твърд електролит, в която катодът е въглероден кокс, който е близък по състав до чистия въглерод.
Въпреки това, вече има две коренно различни посоки сред инженерите, разработващи графенови батерии. В САЩ учени предложиха да направят катода от графен и силициеви плочи, преплетени една с друга, а анода от класически литиев кобалт. Руските инженери намериха друго решение. Токсичната и скъпа литиева сол може да бъде заменена с по-екологичен и по-евтин магнезиев оксид. Капацитетът на батерията се увеличава във всеки случай поради увеличаване на скоростта на преминаване на йони от един електрод към друг. Това се постига благодарение на факта, че графенът има висока електрическа пропускливост и способността да натрупва електрически заряд.
Мненията на учените относно иновациите са разделени: руските инженери твърдят, че графеновите батерии имат два пъти по-голям капацитет от литиево-йонните батерии, но чуждестранните им колеги твърдят, че капацитетът е два пъти по-голям от литиево-йонните батерии, но чуждестранните им колеги твърдят, че капацитетът е десет.
Графеновите батерии влязоха в масово производство през 2015 г. Например испанската компания Graphenano прави това. Според производителя използването на тези батерии в електрически превозни средства в логистични обекти показва реално практически възможностибатерии с графенов катод. За напълно зареденотнема само осем минути. Максимална дължинаграфеновите батерии също могат да увеличат пробега. Зареждане за 1000 км вместо триста - това иска да предложи на потребителя корпорацията Graphenano.
Испания и Китай
Сътрудничи с Graphenano китайска компания Chint, която купи 10% от испанската корпорация за 18 милиона евро. Съвместни средства ще бъдат използвани за изграждане на завод с двадесет производствени линии. Проектът вече е получил около 30 милиона инвестиции, които ще бъдат инвестирани в инсталиране на оборудване и наемане на служители. Според първоначалния план заводът трябваше да започне да произвежда около 80 милиона батерии. В началния етап Китай трябва да стане основният пазар, а след това се планира да започнат доставки в други страни.
Във втория етап Chint е готов да инвестира 350 милиона евро за изграждането на друг завод, който ще има около пет хиляди служители. Подобни цифри не са изненадващи, като се има предвид, че общите приходи ще бъдат около три милиарда евро. Освен това Китай, известен с екологичните си проблеми, ще бъде снабден с екологично чисто и евтино „гориво“. Въпреки това, както можем да забележим, освен гръмки изявления, светлината не видя нищо, само тестови модели. Въпреки че Volkswagen Corporation също обяви намерението си да си сътрудничи с Graphenano.
Очаквания и реалност
Това е 2017 г., което означава, че Graphenano вече две години се занимава с „масово“ производство на батерии, но да видите електрически автомобил на пътя е рядкост не само за Русия. Всички характеристики и данни, публикувани от корпорацията, са доста неясни. Като цяло те не надхвърлят общоприетите теоретични идеи за това какви параметри трябва да има графенова батерия за електрическо превозно средство.
Освен това досега всичко, което е представено както на потребителите, така и на инвеститорите, е само компютърни модели, няма реални прототипи. Добавянето към проблема е, че графенът е материал, който е много скъп за производство. Въпреки гръмките изявления на учените за това как може да се „отпечата на коляното“, на този етапВъзможно е само да се намалят разходите за някои компоненти.
Графенът и световният пазар
Поддръжниците на всякакви теории на конспирацията ще кажат, че никой няма полза от появата на такава кола, защото тогава петролът ще избледнее на заден план, което означава, че приходите от производството му също ще намалеят. Най-вероятно обаче инженерите са срещнали някои проблеми, но не искат да го рекламират. Думата "графен" вече се чува широко, много хора го смятат за така, може би учените не искат да развалят славата му.
Проблеми в развитието
Въпросът обаче може да е, че материалът е наистина иновативен, така че изисква подходящ подход. Може би батериите, използващи графен, трябва да се различават фундаментално от традиционните литиево-йонни или литиево-полимерни батерии.
Има и друга теория. Graphenano Corporation каза, че новите батерии се зареждат само за осем минути. Експертите потвърждават, че това наистина е възможно, само мощността на източника на енергия трябва да бъде поне един мегават, което е възможно при тестови условия във фабрика, но не и в домашни условия. Изграждането на достатъчен брой бензиностанции с такава мощност ще струва много пари, цената на едно презареждане ще бъде доста висока, така че графенова батерия за кола няма да донесе никаква полза.
Практиката показва, че революционните технологии отнемат доста време, за да се интегрират в световния пазар. Трябва да се извършат много тестове, за да се гарантира безопасността на продукта, така че пускането на нови технологични устройства понякога се забавя с много години.
Разбира се, батерията е лесна за закупуване във всеки магазин за хардуер, електроника или хипермаркет. Въпреки това, в името на интересни експерименти и придобиване на знания за „училището на живота“, все пак си струва да знаете как да направите батерия със собствените си ръце. Освен това процесът на такава работа е много забавен и неусложнен.
Лимонена батерия: два варианта
За първия вариант ще ви трябва:
- самият лимон;
- галванизиран пирон;
- 2 малки парчета медна тел;
- медна монета;
- малка електрическа крушка.
Работният процес е както следва:
- Направете два разреза върху плода на известно разстояние един от друг.
- Поставете пирон в единия разрез и монета в другия.
- Свържете парче тел както към гвоздея, така и към монетата. Вторите краища на това импровизирано окабеляване трябва да са в контакт с контактите на електрическата крушка.
- И това е - нека бъде светлина!
Можете също така да направите домашна батерия от кисели плодове, като използвате:
- същият лимон;
- кламер;
- ел.крушки;
- 2 броя изолиран меден проводник с диаметър 0,2-0,5 mm и дължина 10 cm.
Алгоритъмът е следният:
- Отстранете 2-3 см изолация от краищата на всеки проводник.
- Прикрепете откритата част на единия проводник към кламер.
- Направете два разреза в лимона на 2-3 см един от друг - по ширината на кламера и за второто окабеляване. Поставете тези елементи в плода.
- Прикрепете свободните краища на жицата към контактната част на електрическата крушка. Ако не свети, това означава, че избраният лимон не е достатъчно мощен - свържете няколко плода последователно и повторете опита.
Картофена батерия
Запасявам:
- два картофа;
- три проводника със скоби;
- два хромирани нокти;
- два медни пирона.
И така, как да направите батерия от грудки:
- дайте символвсеки от картофите - "А" и "Б".
- Поставете хромиран пирон в ръбовете на всяка грудка.
- На противоположната страна има меден пирон. Ноктите не трябва да се пресичат в тялото на картофите.
- Вземете устройство, захранвано с батерии, извадете го и оставете отделението отворено.
- Първият проводник трябва да свързва медния щифт на клубена "A" към положителния извод в отделението за батерии.
- Вторият проводник свързва хромирания щифт на картофа "B" към отрицателния извод.
- Последният проводник свързва хромирания гвоздей на клубена "А" към меден пиронгрудка "Б".
- Веднага след като затворите всички проводници по този начин, картофът ще започне да доставя енергия на устройството.
Картофите в този експеримент могат да бъдат заменени с банан, авокадо или някой от цитрусовите плодове.
Батерия от фолио, картон и монети
Преди да направите батерия, подгответе:
- медни монети;
- оцет;
- сол;
- картон;
- фолио;
- скоч;
- две парчета изолиран меден проводник.
Всичко готово ли е? Към основния въпрос:
- Първо трябва да почистите старателно монетите - за да направите това, изсипете оцет в стъклен съд, добавете сол там и добавете пари.
- Веднага след като повърхностите на монетите се трансформират и засияят, извадете ги от контейнера, вземете една и очертайте очертанията й върху картона 8-10 пъти.
- Изрежете картонени кръгове по контура. След това ги поставете за известно време в съд с оцет.
- Прегънете фолиото няколко пъти, така че да получите 8-10 слоя. Очертайте върху него монета и също изрежете кръгли части по контура.
- В този момент започнете да сглобявате батерията. Това се прави така: медна монета, картон, фолио. В този ред поставете всички компоненти, които имате, в колона. Последният слой трябва да бъде само монета.
- Отстранете изолацията от краищата на проводниците.
- Изрежете малка лента от лента, залепете единия край на жицата върху нея, поставете импровизирана батерия отгоре и поставете края на втория проводник върху нея. Закрепете здраво конструкцията с лепяща лента.
- Свържете втория край на проводника към “+” и “-” на устройството, което трябва да бъде захранвано.
Вечна батерия
Приготви се:
- стъклен буркан;
- сребърен елемент - например лъжица;
- хранително фолио;
- Меден проводник;
- 1 чаена лъжичка сода бикарбонат;
- 4 бутилки глицерин;
- 1 чаена лъжичка 6% ябълков оцет.
- Увийте лъжицата плътно в стреч фолио, като оставите горния и долния край леко открити.
- Сега е време да увиете лъжицата върху филма с медна тел. Не забравяйте да оставите дълги краища в началото и края за контакти. Направете разстояние между завоите.
- И отново слой филм, последван от тел по същия метод. На тази импровизирана макара трябва да има поне седем слоя „филм-тел“. Не затягайте много слоевете - филмът трябва да се увива свободно.
- В стъклен буркан пригответе разтвор от глицерин, сол и оцет.
- След като солта се разтвори, намотката може да се потопи в разтвора. Веднага след като течността стане мътна, "вечната" батерия ще бъде готова за употреба. Неговият експлоатационен живот зависи пряко от съдържанието на сребро в основния елемент на намотката.
Графитна пръчка: приложение
Графитният компонент от стари батерии е не само основа за нов източник на енергия, но и елемент, който може да се използва за електрозаваряване. Това се прави по проста схема:
- Заточете графитена пръчка от стара батерия под ъгъл 30-40 градуса.
- Като използвате щипка тип "крокодил" с непроводима дръжка, свържете я към + и - на източника на променлив или постоянен ток.
- Свържете “0” и “-” към оголената част.
- Тъй като електродът изгаря, той трябва периодично да се заточва.
Как да си направим батерия у дома? Ще ви трябват налични материали, малко ентусиазъм и постоянство. В замяна ще получите алтернативни източници на енергия.
През 2015 г. медиите прогнозираха силно търсене на графит поради необходимостта да се отговори на търсенето на литиево-йонни батерии, причинено от нарастващата популярност на електрическите превозни средства. Възникнаха спекулации, предвиждащи недостиг на графит, тъй като една голяма акумулаторна система за електрически превозни средства изисква около 25 килограма от това вещество. Въпреки че днес цената и наличността на графита не са проблем, има лека тенденция към поскъпване на материала.
Производството на 99,99 процента чист графитен анод е много скъп процес, който също оставя след себе си значително количество отпадъци. Крайната цена на такъв анод зависи не толкова от материала, колкото от процеса на почистване. Изхвърляне и повторно използванестарите графитни аноди изискват дори повече пари поради повече сложен процесрегенерация.
Въглеродът и графитът са свързани вещества. Графитът е алотропна форма на въглерода, структурна модификация, която възниква чрез свързване на молекули една към друга по специален начин. Графитът е най-стабилната форма на въглерод. Диамантът, метастабилен алотроп на въглерода, известен със своите превъзходни физични свойства, е по-малко стабилен от графита, въпреки че графитът е по-мек и по-гъвкав.
Терминът графит идва от гръцкия „graphein“. Той е топлоустойчив, електрически и топлопроводим, химически пасивен (устойчив на корозия) и лек (по-лек от алуминия) материал. В допълнение към анодите за литиево-йонни батерии, висококачественият графит се използва и в горивни клетки, слънчеви клетки, полупроводници, светодиоди и ядрени реактори.
Въглеродните влакна са дълги, тънки нишки с дебелина около 5-10 микрона, което е около една десета от дебелината на човешка коса. Въглеродните атоми, свързани заедно в микроскопични кристали, образуват силна междуатомна връзка. От такива влакна могат да се образуват невероятно здрави конструкции, а днес те се използват за създаване на рамки за велосипеди и части за каросерии на автомобили и самолети, които могат да заменят класическите алуминиеви. Само 5 процента от графита отиват за производството на електрически батерии.
Индустриалният графит се предлага в две форми - естествен графит от мини и синтетичен графит от петролен кокс. Обикновено и двете форми се използват за направата на аноди за литиево-йонни батерии, но синтетичната има леко предимство - тя представлява 55 процента от този пазар.
Производителите предпочитат синтетичния графит поради превъзходната му консистенция и висока степенчистота в сравнение с природата. Но те вече съществуват съвременни методипречиствания, които позволяват на естествения графит да постигне чистота от 99,9 процента, докато синтетичният графит първоначално има 99,0 процента.
Пречистеният естествен графит има по-добра кристална структура и осигурява по-висока електрическа и топлопроводимост в сравнение със синтетичния графит. Освен това преминаването към естествен графит ви позволява да намалите крайната цена на батерията, като същевременно поддържате същата производителност. Синтетичен графит за литиево-йонна електрохимична системасе продава за около 10 000$ за тон, а натуралният на прах е с цена 7000$ (цените са за 2015 г.). В допълнение към по-ниската си цена, естественият графит е по-екологичен и служи като основа за създаването на материала на бъдещето - графен.
Графен
Графенът е алотроп на въглерода под формата на двуизмерна шестоъгълна решетка. Представен като лист от чист въглерод, графенът е с дебелина само един атом. Той е гъвкав, прозрачен, непропусклив за влага, по-твърд от диаманта и по-проводим от златото. Научната общност възлага големи надежди на графена и очаква, че той може да се използва за подобряване на много устройства, включително електрически батерии.
Смята се, че графеновият анод може да съхранява повече енергия в сравнение с графита и може също да намали времето за зареждане десет пъти. Характеристиките на натоварване и издръжливостта на батерия, използваща графенов анод, също ще се подобрят значително.
Когато се използват традиционни графитни аноди, литиевите йони се натрупват около външната повърхност на електрода. Графеновият анод позволява на тези йони да проникнат вътре в себе си, използвайки малки дупчици в графеновите плочи - с размер около 10-20 nm. Този имот предоставя оптимална зонасъхранение и наличност на йони, като по този начин позволява повече от десетократно увеличение на количеството възможна енергия в сравнение с класически графитен анод.
Но електрическа батерия с графенов анод може да бъде подобрена, например, чрез добавяне на ванадиев оксид към катода. Експерименталните батерии показват удивителни резултати, като например зареждане в рамките на 20 секунди и запазване на 90 процента капацитет след 1000 цикъла на зареждане/разреждане. Използването на графен е възможно и в други области, например в суперкондензаторите той се използва за увеличаване на енергийната плътност. Фигура 1 показва уникалната решетъчна структура на графена, която можем да наблюдаваме с помощта на сканираща сондова микроскопия.
Фигура 1: Микроскопско изображение на сканираща сонда на графенова структура.Графенът е лист от чист въглерод с дебелина само един атом. Той е гъвкав, прозрачен, непроницаем за влага, по-здрав от диаманта и по-проводим от златото. Всеки въглероден атом има три електрона, които образуват химически връзки с най-близките си съседи.
Учените знаят теоретично за удивителните свойства на графена от десетилетия, но едва наскоро технологията напредна достатъчно, за да направи възможно производството на това вещество. Засега няма масово произвеждани устройства, които да използват предимствата на графена в работата си, но има всички предпоставки ерата на графена да е точно зад ъгъла. (Вижте BU-104c:
Изследователската група на Максим Коваленко е базирана в ETH Zurich и Empa Laboratory for Thin Films and Photovoltaic Systems. Амбициозната цел на екипа е да създаде батерия от най-разпространените елементи в земната кора, като магнезий или алуминий, което би позволило производството на батерии да бъде бързо увеличено в прост и по евтин начин. В допълнение, тези материали са безопасни за използване, дори ако анодът е направен от чист метал.
В традиционни батерии електричествовъзниква поради движението на метални катиони между анода и катода и обратно. Като алтернатива могат да се използват големи, но леки органични аниони. Това обаче повдига редица въпроси: в каква среда трябва да се движат тези леки аниони и какъв материал е подходящ за направата на катода? IN литиево-йонни батерииКатодът е направен от метален оксид, който може лесно да абсорбира малки литиеви катиони по време на зареждане. Големите органични йони обаче са твърде големи и имат заряд, противоположен на този на литиевите катиони.
За да разреши този проблем, екипът на Коваленко обърна принципа на литиево-йонната батерия с главата надолу. В конвенционалните литиево-йонни батерии анодът е направен от графит, чиито слоеве съдържат литиеви йони в заредено състояние. За разлика от това, батерията на Коваленко използва графит като катод и големи аниони се отлагат между графеновите слоеве. Анодът от своя страна е изработен от метал.
Empa/ETH Цюрих
Служителят в лабораторията Константин Кравчик откри, че ас наличен материалЗа катоди могат да се използват графитни отпадъци по време на производството на стомана, т.нар. Естественият графит, доставян под формата на люспи и имащ отворена молекулна структура, в която по-лесно проникват големи аниони, също е подходящ. В същото време финозърнестият графит, който обикновено се използва в литиево-йонни батерии, не е подходящ за батерията Коваленко: в такъв графит слоевете са смачкани и само малки литиеви катиони могат да проникнат вътре.
Батерия с катод, направен от графит или необработени графитни люспи, може да бъде много ефективна. И както показаха първите експерименти, той е издръжлив: лабораторният прототип преживя хиляди цикли на зареждане и разреждане в продължение на няколко месеца. Батерията от алуминиев графит хлорид може да издържи десетилетия при ежедневна употреба в домакинството, каза екипът. Изследователският екип в момента работи върху увеличаване на напрежението на батерията и енергийната плътност.
|
|||||||||
В съвременните литиево-йонни батерии катодите, които осигуряват преноса на електрони от горивната клетка към външната верига, обикновено са изработени от алуминиево или никелово фолио с дебелина около 20 - 30 микрона. Но въпреки висока производителност, алуминиевото фолио не може ефективно да събира електрони поради плоската си структура, ограничавайки плътността на мощността на цялата батерия, изградена от този материал. Този проблемТова е още по-лошо за дебелите катоди, които понякога се използват за увеличаване на енергийната плътност на батерията. В допълнение, алуминият корозира в много електролитни разтвори, което води до бавно саморазреждане и общо „стареене“ на батерията.
Според американски учени свръхтънкият графит под формата на графитна пяна може да стане алтернатива на алуминия и никела. В неговия последна работаЕкип от учени от Тексаския университет (САЩ) изследва взаимодействието на ултратънък графит и литиево-железен фосфат (LFP) в процес, подобен на производствения процес на литиево-йонни батерии.
В експерименти учените установиха, че ултратънкият графит не страда от повечето от недостатъците на алуминиевото или никеловото фолио. Този материал е взаимосвързана мрежа от високопроводими графитни мостове (чиято плътност е 1,3 * 10 5 cm -1 при стайна температура), значително улесняващи преноса на проводимите електрони в рамките на катода и, съответно, увеличаване на плътността на мощността на батерията.
Свръхлеката пяна може да се справи с по-големи енергийни и енергийни плътности от обикновената пяна електронни материали, като алуминиево и никелово фолио. Тъй като съотношението на повърхностната площ към обема на ултратънкия графит е изключително високо спрямо неговата маса (веществото има плътност от около 9,5 mg/cm 3 ), много по-малко материал е необходим за производството на катоди в сравнение с еквивалентната маса на необходимото алуминиево фолио. По този начин енергийната плътност също се увеличава. Изчисленията показват, че максималната специфична мощност на ултратънкия графит е с 23% по-висока от тази за алуминия и със 170% по-висока от същия параметър за никела.
Но това не са всички характеристики на графитната пяна. Изследванията показват, че ултратънкият графит е изключително стабилен в електролити като LiPF 6 при потенциали до 5V. Това означава, че батериите, създадени с помощта на този материал, няма да бъдат подложени на корозия и следователно на саморазреждане. Специално е добри новиниза потребители на устройства, работещи под високи напрежения, по-специално електрически и хибридни автомобили. Според изследователите разработените от тях катоди от графитна пяна могат да се използват точно в такива приложения.
В близко бъдеще екипът планира да оптимизира размера на порите и дебелината на стената на ултратънкия графит, за да увеличи допълнително мощността и енергийната плътност. Ако процесът на подобрение е успешен (в което самите учени не се съмняват), ултратънкият графит ще намери своето приложение в други приложения, например в горивни клетки и суперкондензатори.
