Grafeenakud ja patareid: leiutamise ajalugu, kasutusvõimalused ja isevalmistamine

Isegi tehnoloogiaga nõrgalt seotud inimene teab, et ükski autonoomne elektrit kasutav süsteem ei saa hakkama ilma sõltumatute elektriallikateta. Olgu tegemist mobiilsidevahendi või sõidukitega, need kõik peavad olema varustatud patareide või akudega, mille miinuseks on väike mahutavus ja lühike kasutusiga. Grafeenpatareide tulekuga see puudus kõrvaldatakse.

Avastamise ajalugu

Teadlased on pikka aega otsinud uusi materjale elektrienergia kogumiseks. Seni kasutatud patareide ja akude komponendid ei vastanud kaasaegsetele elektrotehnika nõuetele. Eriti puudutas see patareisid ja akusid, mille kehvad tehnilised omadused takistasid uute säästlike ja keskkonnasõbralike sõidukite väljatöötamist.

Uurimist kroonis edu 2004. aastal, kui kaks Briti teadlast, Venemaalt sisserändanud Konstantin Novosjolov ja Andrei Geim said laboris uue süsinikul põhineva soovitud omadustega materjali - grafeen. Ühe aatomi paksuse süsinikkile loomise eest kõrgete säilitusomadustega ränioksiidsubstraadile pälvisid teadlased 2010. aastal Nobeli preemia.

Seda arengut peetakse energiasalvestustehnoloogiate valdkonnas kõige lootustandvamaks, kuigi tehniliselt pole see veel laialdast kasutust leidnud.

Grafeeni struktuur

Grafeen on grafiidi tüüp - süsinikuaatomitest koosnev aine. Grafiidikristall koosneb kihtidest, mis meenutavad hunnikusse volditud paberilehti. Aatomitevaheline interaktsioon kihtide vahel on nõrgem kui keskel, mistõttu sobib grafiit nii hästi pliiatsivardaks.

See omadus võimaldas selle jagada eraldi kihtideks ja saada uut ainet nimega "grafeen", millel on samad omadused kui grafiidil, kuid mitu korda tugevam. See tulemus on läbimurre elektroonika arendamisel, aga ka patareide ja akude tootmisel, sest looduslikul grafiidil on suurepärane soojus- ja elektrijuhtivus. See võimaldab asendada praegu tootmises kasutatavad kallid materjalid grafeeniga, kuna grafiiti leidub looduses ohtralt.

Grafeenil on äärmiselt lihtne kristallstruktuur, mis vähendab vastupanuvõimet elektronide voolule, mistõttu suudab see laengut koguda palju kiiremini kui masskristallid. Ja see laeng on palju võimsam. Need omadused võimaldavad luua sellest patareisid ja akusid, millel on palju paremad tehnilised omadused kui praegu kasutatavatel.

Patareide ja akude paigutus

Grafeenakude tööpõhimõte ja struktuur on samad, mis tavalistel sisepõlemismootoriga autodele paigaldatavatel akudel. Erinevus seisneb seadme sees toimuvates elektrokeemilistes protsessides. Need on kõige sarnasemad liitiumpolümeeraku reaktsiooniga.

Grafeenpatareide tootmisel on nüüd kaks konkureerivat tehnoloogiasuunda. Need töötati välja USA-s ja Venemaal:

• Ameerika mudelis koosnevad keemilise reaktsiooni allikad liitiumkobaltaadist ning vahelduvate räni- ja grafeenplaatide katoodist;
• teises - vene - versioonis loodi magneesium-grafeenaku, milles anoodina kasutatav liitiumisool asendati odavama ja vähemtoksilise magneesiumoksiidiga.

Mõlemal juhul suureneb ioonide läbimise kiirus elektroodide ja mahtuvuse vahel patareid, sest grafeenil on kõrge elektriline läbilaskvus ja kalduvus akumuleeruda elektrilaeng. Ainult hinnangud võimaliku võimsuse kohta erinevad. Ameerika eksperdid usuvad, et see suureneb liitiumioonakudega võrreldes kümme korda ning venelastel kuni kaks ja pool korda.

Kasu ja väljakutsed

Nendes kasutatud lamedate grafiidikristallidega akud on palju lubavad. Need erinevad:

• vähem kaalu;
• kõrge juhtivus;
• suur tugevus ja veekindlus;
• ökoloogiline puhtus;
• suurenenud erivõimsus;
• võimalus kohandada nende omadusi teiste materjalidega kombineerides;
• kahjustuste lihtne eemaldamine;
• madal tooraine hind.

Tänapäeva grafeenakude peamine probleem on nende suurus. Need osutuvad mobiilseadmetesse paigaldamiseks liiga suureks. See probleem ei ole veel lahendatud.

Erinevalt vidinatest, autotööstuses on grafeenil suurepärased väljavaated nüüd. Grafeenakude paigaldamine elektriautole kolmekordistab selle läbisõidu kahe laadimise vahel, kuni 1000 km-ni. Laadimine võtab maksimaalselt 10 minutit. Selle tankla varustamine tanklatega pole probleem.

Muud arengud

Lisaks Venemaale ja USA-le tehakse grafeenpatareide täiustamise nimel aktiivselt tööd ka teistes riikides.

Austraalia teadlased on avastanud viisi, kuidas hoida grafeenplaate stabiilses olekus. Oli ju nende ebastabiilsus, soov naasta tavalisele grafiidile omasesse kolmemõõtmelisse olekusse, selle materjali üks peamisi probleeme. Selle vältimiseks asetasid teadlased grafeenplaadid vesigeeli, et vältida nende kokkukleepumist. Lisaks saab sellise disainiga akut laadida mõne sekundiga. Geeli maksumus on madal, kuna see koosneb ainult veest ja süsinikust.

Uued tehnoloogiad ilmuvad maailmas peaaegu igal aastalmis võimaldavad ammenduvaid loodusvarasid ratsionaalsemalt kasutada. Nende hulka kuulub grafeeni leiutamine, mis võib lähitulevikus põhjustada revolutsioonilisi muutusi transpordisüsteem tänu oma ainulaadsetele omadustele suures mahus elektrienergia kogumiseks ja salvestamiseks energiat. Tõenäoliselt saab igaüks 3D-printeri abil oma kätega grafeenaku valmis teha.