I člověk slabě spojený s technikou ví, že žádný autonomní systém využívající elektřinu se neobejde bez nezávislých zdrojů elektřiny. Ať už se jedná o prostředky mobilní komunikace nebo vozidla, všechna musí být vybavena bateriemi nebo akumulátory, jejichž nevýhodou je malá kapacita a krátká životnost. S příchodem grafenových baterií bude tento nedostatek odstraněn.
Obsah
- Historie objevů
- Grafenová struktura
- Uspořádání baterií a akumulátorů
- Výhody a výzvy
- Další vývoj
Historie objevů
Vědci již dlouhou dobu hledají nové materiály pro akumulaci elektrické energie. Dosud používané součásti baterií a akumulátorů nevyhovovaly moderním požadavkům na elektrotechniku. Týkalo se to především baterií a akumulátorů, jejichž špatné technické vlastnosti bránily vývoji nových úsporných a ekologických vozidel.
Výzkum byl korunován úspěchem v roce 2004, kdy dva britští vědci, imigranti z Ruska, Konstantin Novosyolov a Andrey Geim obdrželi v laboratoři nový materiál s požadovanými vlastnostmi na bázi uhlíku - grafen. Za vytvoření uhlíkového filmu o tloušťce jednoho atomu na substrátu z oxidu křemíku s vysokými skladovacími vlastnostmi dostali vědci v roce 2010 Nobelovu cenu.
Tento vývoj je považován za nejslibnější v oblasti technologií skladování energie, i když technicky ještě nenašel široké uplatnění.
Grafenová struktura
Grafen je druh grafitu - látka skládající se z atomů uhlíku. Krystal grafitu se skládá z vrstev, které připomínají listy papíru složené do hromady. Atomová interakce mezi vrstvami je slabší než uprostřed, proto se grafit tak dobře hodí jako tužková tyčinka.
Tato vlastnost umožnila rozdělit jej do samostatných vrstev a získat novou látku zvanou „grafen“, která má stejné vlastnosti jako grafit, ale několikanásobně silnější. Tento výsledek je průlomový pro vývoj elektroniky, ale i výroby baterií a akumulátorů, protože přírodní grafit má vynikající tepelnou a elektrickou vodivost. To umožní nahradit drahé materiály v současnosti používané při výrobě grafenem, protože grafit je v přírodě hojný.
Grafen má extrémně jednoduchou krystalovou strukturu, která snižuje odpor vůči toku elektronů, takže dokáže akumulovat náboj mnohem rychleji než objemové krystaly. A tento náboj je mnohem silnější. Tyto vlastnosti umožní vytvořit z něj baterie a akumulátory, které mají mnohem lepší technické vlastnosti než ty, které se v současnosti používají.
Uspořádání baterií a akumulátorů
Princip činnosti a struktura grafenových baterií jsou stejné jako u běžných akumulátorových baterií instalovaných na automobilech se spalovacími motory. Rozdíl je v elektrochemických procesech probíhajících uvnitř zařízení. Nejvíce se podobají reakci v lithium-polymerové baterii.
Nyní existují dva konkurenční technologické směry pro výrobu grafenových baterií. Byly vyvinuty v USA a Rusku:
- v americkém modelu jsou zdroje chemické reakce tvořeny kobaltátem lithným a katodou střídajících se křemíkových a grafenových desek;
- ve druhé - ruské - verzi vznikla hořčíkovo-grafenová baterie, ve které byla lithná sůl použitá jako anoda nahrazena oxidem hořečnatým, který je levnější a méně toxický.
V obou případech dochází ke zvýšení rychlosti průchodu iontů mezi elektrodami a kapacitou baterie, protože grafen má vysokou elektrickou propustnost a tendenci se hromadit elektrický náboj. Liší se pouze odhady možné kapacity. Američtí experti se domnívají, že se zvýší ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi desetinásobně a Rusy - až dvaapůlkrát.
Výhody a výzvy
Baterie s plochými grafitovými krystaly, které jsou v nich použity, jsou velkým příslibem. Liší se:
-
menší hmotnost; - vysoká vodivost;
- velká pevnost a odolnost proti vodě;
- ekologická čistota;
- zvýšená specifická kapacita;
- schopnost upravit jejich vlastnosti kombinací s jinými materiály;
- snadná odstranitelnost poškození;
- nízká cena surovin.
Hlavním problémem dnešních grafenových baterií je jejich velikost. Ukázalo se, že jsou příliš velké pro instalaci na mobilní zařízení. Tento problém nebyl dosud vyřešen.
Na rozdíl od gadgetů, v automobilovém průmyslu má grafen vynikající vyhlídky Nyní. Instalace grafenových baterií do elektromobilu ztrojnásobí jeho dojezd na dvě nabití až na 1000 km. Nabíjení trvá maximálně 10 minut. Vybavit tuto čerpací stanici čerpacími stanicemi není problém.
Další vývoj
Kromě Ruska a Spojených států se práce na vylepšení grafenových baterií aktivně provádějí i v dalších zemích.
Australští vědci objevili způsob, jak udržet grafenové desky ve stabilním stavu. Koneckonců, jejich nestabilita, touha vrátit se do trojrozměrného stavu, který je vlastní běžnému grafitu, byla jedním z hlavních problémů tohoto materiálu. Aby tomu vědci zabránili, umístili grafenové desky do vodního gelu, aby se zabránilo jejich slepení. Baterii této konstrukce lze navíc nabít během několika sekund. Cena gelu je nízká, protože se skládá pouze z vody a uhlíku.
Nové technologie se ve světě objevují téměř každý rok, které umožňují racionálnější využití vyčerpávajících se přírodních zdrojů. Patří mezi ně vynález grafenu, který může v blízké budoucnosti způsobit revoluční změny dopravní systém díky svým jedinečným vlastnostem ve velkém objemu akumulovat a ukládat el energie. Je pravděpodobné, že každý bude schopen vyrobit grafenovou baterii vlastníma rukama pomocí 3D tiskárny.
