Что такое графеновые аккумуляторы для автомобилей

Популярность автомобилей с электрическим приводом стремительно растет. Однако экологически чистые автомобили потребовали значительных инвестиций в разработку новых типов батарей с более высокой емкостью. Это касается и графеновых батарей, которые имеют множество преимуществ перед литиевыми аналогами.

Что такое графеновые батареи для автомобилей

Что такое графен

Несомненно, это слово знакомо каждому, но мало кто может объяснить его значение. На самом деле это одна из форм углерода, характеризующаяся расположением атомов в кристаллической решетке. Это означает, что материал имеет толщину всего в один атом, но обладает рядом уникальных свойств: высокой прочностью и повышенной энергоэффективностью.

Графеновый слой на основе многослойного графита на кремниевой подложке был впервые успешно получен в лаборатории в 2004 году. Британские ученые российского происхождения К. Новоселов и А. Гейм были удостоены премии 2010 года Нобелевская премия за их разработку. По сути, графен — это тончайший слой атомов углерода, в миллион раз тоньше листа офисной бумаги.

Ученые из многих стран сейчас работают над совершенствованием технологии производства графена, который может произвести революцию во многих областях производства, включая полупроводники, дисплеи и батареи.

Устройство графенового аккумулятора

Типичная графеновая батарея представляет собой довольно обычную концепцию. Производителей, занимающихся созданием и усовершенствованием таких устройств, немного, и большинство из них не слишком стремятся рассказать о том, как изготавливается графеновая батарея и как выглядит технологический процесс.

Пионером в области графеновых источников энергии стала испанская компания Graphenano, которая в 2015 году анонсировала прототип такой батареи.

Именно это достижение послужило мощным толчком к быстрому развитию графеновых батарей для электромобилей, используемых в качестве замены традиционным литий-ионным батареям.

Читайте также:  Характеристики и особенности эксплуатации аккумуляторных батарей Varta

Главное отличие заключается в использовании тончайших графеновых слоев вместо рыхлого графита. Проблема в том, что графен нестабилен и имеет тенденцию возвращаться в графит, другими словами, если это возможно, графит должен быть свободен. Ученым удается стабилизировать графен для использования в качестве гальванического элемента, и эффективность этого процесса зависит от того, насколько хорошо электронная пара подобрана к графену.

В большинстве зарубежных моделей графеновых батарей в качестве электролита используется LiCoO2. Свойства графеновых батарей для электромобилей уже впечатляют, хотя технология все еще находится в зачаточном состоянии. В частности, они обеспечивают многократное увеличение скорости заряда/разряда при той же емкости. Важность быстрой зарядки (в течение 8-10 минут) объяснять не нужно, но способность разряжаться с высокой скоростью может значительно увеличить возможности ускорения электромобилей. Кроме того, графеновые батареи намного легче литий-ионных, что позволяет создавать батареи того же размера с на порядок большей емкостью.

В области аккумуляторов для смартфонов и других портативных гаджетов пока не все так радужно, но скоро мы услышим о первых моделях, оснащенных графеновыми батареями.

Принцип работы графеновой АКБ

В целом, принцип работы батарей с монослойным графитом такой же, как и классических автомобильных аккумуляторов: имеются положительный и отрицательный электроды, между которыми в электролите образуется электрический ток.

Что такое графеновые батареи для автомобилей

Основные различия заключаются в материалах пластин и свойствах электролита. Принцип работы графеновой батареи наиболее похож на принцип работы литий-полимерной батареи, только вместо графита используется его монослойный аналог. Конечно, есть и другие различия, связанные с необходимостью сохранять графен в одномерной структуре.

В настоящее время существует два подхода к производству таких батарей:

  • Американская модель производства предполагает использование литий-кобальта в качестве активного ингредиента, а пластины изготавливаются из графена и кремния;
  • Российские производители используют другой подход, заменяя соль лития на оксид магния — он легче своего оппонента и менее токсичен.
Читайте также:  Особенности выбора АКБ для Toyota Camry

В обоих случаях графеновая батарея работает гораздо эффективнее благодаря увеличенной скорости миграции заряженных частиц и возможности значительно увеличить емкость при сохранении прежних размеров.

Достоинства и недостатки графеновых технологий

Давайте рассмотрим плюсы и минусы графеновых батарей. Есть еще много плюсов:

  • они весят меньше, чем литий-ионные батареи при тех же параметрах;
  • они обладают лучшей проводимостью;
  • они более долговечны и полностью водонепроницаемы;
  • они имеют более высокую удельную емкость;
  • экологически чистые и безопасные;
  • они характеризуются хорошей ремонтопригодностью;
  • Компоненты таких батарей достаточно недороги.

Основным недостатком является высокая стоимость конечного устройства из-за сложной технологии удержания плоской структуры. Кроме того, количество циклов зарядки-разрядки в настоящее время недостаточно.

Но в любом случае перспективы в автомобильной промышленности у таких батарей отличные: по сравнению с лучшими литиевыми батареями, графеновые батареи позволяют увеличить автономность в три раза — до тысячи километров без подзарядки, а процесс восстановления емкости занимает около 10 минут. Основная проблема заключается в том, что для этого требуется специальная, очень мощная зарядная станция.

Как продвигаются разработки графеновых АКБ

К сожалению, массовое производство такой продукции пока не налажено. Испанская компания Graphenano, которая первой разработала прототип этого инновационного источника энергии, сообщила, что в ходе испытаний устройство смогло проехать около 1 000 км без подзарядки, а процесс восстановления емкости занимает 7 минут.

Изначально компания планировала начать производство таких батарей в 2017 году, но пока эти планы остаются нереализованными — разработчики все еще работают над доведением технологии до уровня, достаточного для массового производства продукта. Инженеры Graphenano утверждают, что их графеновые батареи будут пожаро- и электробезопасны.

Что такое графеновые батареи для автомобилей

Многие европейские автопроизводители объявили о том, что они тестируют испанские батареи.

Они также активно разрабатываются в США, где электромобили пользуются особой популярностью. Здесь основные усилия направлены на увеличение емкости аккумуляторов, что становится одним из главных факторов в свете полного перехода на электричество.

Австралийские исследователи из Университета Монаша стремятся стабилизировать графеновые пластины, переводя их в гелеобразное состояние. Это, по их мнению, предотвратит слипание графеновых слоев, а также позволит заряжать такие батареи всего за несколько секунд. Гелевый раствор, состоящий из очищенной воды в дополнение к кремнию, не так уж сложен в производстве, но пока даже испытания опытных образцов не проводились.

Читайте также:  Можно ли использовать Imax B6 для зарядки автомобильных аккумуляторов

В России конструкторы намерены заменить литий магнием, но пока еще не разработаны модели для массового производства. Так что пока автомобиль с графеновой батареей остается в сфере мечтаний.

Перспективы графена

Благодаря своим уникальным свойствам этот материал способен произвести революцию во многих отраслях промышленности. Помимо батарей для электромобилей, активно разрабатываются батареи для смартфонов, и здесь все становится еще лучше. Реальные графеновые устройства с лучшими свойствами, чем у их литий-ионных аналогов, заявлены на 2020 год.

Ведутся работы по созданию более легких материалов для использования в автомобильной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Графен — отличный материал для создания гибких дисплеев, компактных вычислительных устройств, устройств хранения данных и систем фильтрации жидкостей. Короче говоря, идея заключается в том, чтобы сделать графен более дешевым в производстве.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Авто аккумуляторы