Даже человек, слабо связанный с техникой, знает, что любая автономная система, в работе которой задействовано электричество, не может обойтись без независимых источников электроэнергии. Будь это средства мобильной связи или транспортные средства — все они должны быть оснащены батареями или аккумуляторами, недостаток которых — небольшая ёмкость и короткий срок эксплуатации. С появлением графеновых батарей этот недостаток будет устранён.
История открытия
Поиски новых материалов для аккумуляции электрической энергии учёные вели давно. Применяемые до сих пор составляющие батарей и аккумуляторов уже не отвечали современным требованиям к электротехнике. Особенно это относилось к батареям и аккумуляторам, чьи невысокие технические характеристики тормозили развитие новых экономичных и экологически чистых транспортных средств.
Исследования увенчались успехом в 2004 году, когда двое британских учёных, выходцев из России, Константин Новосёлов и Андрей Гейм, получили в лаборатории новый материал с нужными свойствами на основе углерода — графен. За создание углеродной плёнки толщиной в один атом на подложке из оксида кремния с высокими аккумулирующими характеристиками учёные получили в 2010 году Нобелевскую премию.
Эта разработка считается самой перспективной в области технологий аккумулирования электроэнергии, хотя технически ещё и не получила массового применения.
Структура графена
Графен является разновидностью графита — вещества, состоящего из атомов углерода. Кристалл графита состоит из слоёв, которые напоминают сложенные стопкой листы бумаги. Атомное взаимодействие между слоями слабее, чем в их середине, поэтому графит так хорошо подходит в качестве стержня для карандашей.
Это свойство и позволило расщепить его на отдельные слои и получить новое вещество под названием «графен», обладающее теми же свойствами, что и графит, но в несколько раз усиленными. Такой результат является прорывом для развития электроники, а также производства батарей и аккумуляторов, ведь природный графит обладает великолепной тепло- и электропроводностью. Это позволит заменить графеном дорогостоящие материалы, использующиеся сейчас в производстве, ведь графит имеется в природе в изобилии.
Графен имеет предельно простую кристаллическую структуру, уменьшающую сопротивление потоку электронов, поэтому может накапливать заряд намного быстрее, чем объёмные кристаллы. И заряд этот намного мощнее. Эти свойства позволят создавать из него батареи и аккумуляторы, имеющие намного лучшие технические характеристики, чем у используемых сейчас.
Устройство батарей и аккумуляторов
Принцип действия и устройство графеновых аккумуляторов те же, что и обычных аккумуляторных батарей, установленных на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Отличие в электрохимических процессах, происходящих внутри устройства. Больше всего они сходны с реакцией, идущей в литий-полимерной аккумуляторной батарее.
Сейчас существуют два конкурирующих технологических направления по производству графеновых аккумуляторов. Разработаны они в США и России:
- в американской модели источники химической реакции состоят из кобальтата лития, а также катода из перемежающихся кремниевых и графеновых пластин;
- во втором — российском — варианте был создан магний-графеновый аккумулятор, в котором используемая как анод литиевая соль была заменена оксидом магния, который дешевле и менее токсичен.
В обоих случаях происходит увеличение скорости прохождения ионов между электродами и ёмкости аккумуляторов, потому что графен имеет высокую электропроницаемость и склонность к накапливанию электрического заряда. Отличаются лишь оценки возможной ёмкости. Американские специалисты считают, что она увеличится по сравнению с литий-ионными аккумуляторами в десять раз, а русские — до двух с половиной раз.
Преимущества и проблемы
Аккумуляторам с используемым в них плоским кристаллом графита сулят большие перспективы. Они отличаются:
меньшим весом;- высокой проводимостью;
- большой прочностью и водонепроницаемостью;
- экологической чистотой;
- повышенной удельной ёмкостью;
- возможностью регулировки своих качеств благодаря комбинированию с другими материалами;
- лёгкой устранимостью повреждений;
- невысокой ценой на сырьё.
Главная проблема графеновых аккумуляторов на сегодняшний день — их размер. Они получаются слишком большими для установки в мобильные устройства. Пока эта проблема не решена.
В отличие от гаджетов, в автомобилестроении графен имеет прекрасные перспективы уже сейчас. Установка аккумуляторов из графена на электромобиль увеличивает его пробег между двумя зарядками в три раза, до 1000 км. Зарядка длится самое большее 10 минут. Оснащение для этого АЗС заправочными станциями проблемой не является.
Другие разработки
Работы по усовершенствованию графеновых аккумуляторов кроме России и США активно ведутся и в других странах.
Учёным Австралии удалось открыть способ удержания графеновых пластин в стабильном состоянии. Ведь их неустойчивость, стремление вернуться в трёхмерное состояние, свойственное обычному графиту, была одной из основных проблем этого материала. Чтобы предотвращать это, учёные поместили пластины графена в водяной гель, что предотвращает их слипание. Кроме того, аккумулятор такой конструкции можно будет заряжать за считанные секунды. Стоимость геля невысока, ведь он состоит всего лишь из воды и углерода.
Практически каждый год в мире появляются новые технологии, которые позволяют более рационально использовать истощающиеся естественные ресурсы. К ним относится и изобретение графена, который в недалёком будущем, возможно, вызовет революционные изменения в транспортной системе благодаря своим уникальным свойствам в большом объёме аккумулировать и сохранять электрическую энергию. Вполне вероятно, каждый желающий сможет с помощью 3 D -принтера сделать графеновый аккумулятор своими руками.
