Nawet osoba słabo związana z technologią wie, że każdy autonomiczny system wykorzystujący energię elektryczną nie może obejść się bez niezależnych źródeł energii elektrycznej. Niezależnie od tego, czy są to środki komunikacji mobilnej, czy pojazdy, wszystkie muszą być wyposażone w baterie lub akumulatory, których wadą jest mała pojemność i krótki okres użytkowania. Wraz z pojawieniem się baterii grafenowych ta wada zostanie wyeliminowana.
Zadowolony
- Historia odkryć
- Struktura grafenu
- Rozmieszczenie baterii i akumulatorów
- Korzyści i wyzwania
- Inne wydarzenia
Historia odkryć
Naukowcy od dawna poszukują nowych materiałów do akumulacji energii elektrycznej. Stosowane dotychczas komponenty baterii i akumulatorów nie spełniały współczesnych wymagań elektrotechniki. Dotyczyło to zwłaszcza baterii i akumulatorów, których słabe parametry techniczne utrudniały rozwój nowych, ekonomicznych i przyjaznych dla środowiska pojazdów.
Badania zakończyły się sukcesem w 2004 roku, kiedy to dwóch brytyjskich naukowców, imigrantów z Rosji, Konstantin Novosyolov i Andrey Geim otrzymali w laboratorium nowy materiał o pożądanych właściwościach oparty na węglu - grafen. Za stworzenie filmu węglowego o grubości jednego atomu na podłożu z tlenku krzemu o wysokich właściwościach przechowywania naukowcy otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla.
Ten rozwój jest uważany za najbardziej obiecujący w dziedzinie technologii magazynowania energii, chociaż technicznie nie był jeszcze szeroko stosowany.
Struktura grafenu
Grafen to rodzaj grafitu - substancja składająca się z atomów węgla. Kryształ grafitu składa się z warstw przypominających zwinięte w stos kartki papieru. Oddziaływanie atomowe między warstwami jest słabsze niż w środku, dlatego grafit tak dobrze nadaje się jako pręt ołówkowy.
Ta właściwość umożliwiła rozbicie go na osobne warstwy i otrzymanie nowej substancji zwanej „grafenem”, która ma takie same właściwości jak grafit, ale jest kilkakrotnie silniejsza. Wynik ten jest przełomem dla rozwoju elektroniki, a także produkcji baterii i akumulatorów, ponieważ grafit naturalny ma doskonałą przewodność cieplną i elektryczną. Umożliwi to zastąpienie drogich materiałów stosowanych obecnie w produkcji grafenem, gdyż grafit występuje w naturze.
Grafen ma niezwykle prostą strukturę krystaliczną, która zmniejsza opory przepływu elektronów, dzięki czemu może gromadzić ładunek znacznie szybciej niż kryształy objętościowe. A ten ładunek jest znacznie potężniejszy. Właściwości te pozwolą stworzyć z niego baterie i akumulatory, które mają znacznie lepsze parametry techniczne niż obecnie stosowane.
Rozmieszczenie baterii i akumulatorów
Zasada działania i budowa baterii grafenowych są takie same jak w przypadku konwencjonalnych baterii akumulatorowych montowanych w samochodach z silnikami spalinowymi. Różnica polega na procesach elektrochemicznych zachodzących wewnątrz urządzenia. Są najbardziej zbliżone do reakcji w akumulatorze litowo-polimerowym.
Obecnie istnieją dwa konkurencyjne kierunki technologiczne produkcji baterii grafenowych. Zostały opracowane w USA i Rosji:
- w modelu amerykańskim źródłami reakcji chemicznej są kobaltan litu i katoda naprzemiennych płyt krzemowych i grafenowych;
- w wersji drugiej – rosyjskiej – powstała bateria magnezowo-grafenowa, w której sól litową stosowaną jako anoda zastąpiono tańszym i mniej toksycznym tlenkiem magnezu.
W obu przypadkach następuje wzrost szybkości przechodzenia jonów między elektrodami i pojemności baterie, ponieważ grafen ma wysoką przepuszczalność elektryczną i tendencję do akumulacji ładunek elektryczny. Różnią się jedynie szacunki możliwej pojemności. Amerykańscy eksperci uważają, że wzrośnie on w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi dziesięciokrotnie, a Rosjanie - nawet dwa i pół razy.
Korzyści i wyzwania
Wykorzystane w nich baterie z płaskimi kryształkami grafitu są bardzo obiecujące. Różnią się:
-
mniej wagi; - wysoka przewodność;
- duża wytrzymałość i wodoodporność;
- ekologiczna czystość;
- zwiększona pojemność właściwa;
- możliwość dostosowania ich właściwości poprzez łączenie z innymi materiałami;
- łatwe usuwanie uszkodzeń;
- niska cena surowców.
Głównym problemem dzisiejszych baterii grafenowych jest ich rozmiar. Okazują się zbyt duże do instalacji na urządzeniach mobilnych. Ten problem nie został jeszcze rozwiązany.
W przeciwieństwie do gadżetów, w motoryzacji grafen ma doskonałe perspektywy teraz. Zainstalowanie baterii grafenowych w samochodzie elektrycznym trzykrotnie zwiększa jego przebieg między dwoma ładowaniami, nawet do 1000 km. Ładowanie trwa maksymalnie 10 minut. Wyposażenie tej stacji benzynowej w stacje benzynowe nie stanowi problemu.
Inne wydarzenia
Oprócz Rosji i Stanów Zjednoczonych prace nad udoskonaleniem baterii grafenowych są aktywnie prowadzone w innych krajach.
Naukowcy z Australii odkryli sposób na utrzymywanie płyt grafenowych w stabilnym stanie. W końcu ich niestabilność, chęć powrotu do trójwymiarowego stanu tkwiącego w zwykłym graficie, była jednym z głównych problemów tego materiału. Aby temu zapobiec, naukowcy umieścili płytki grafenowe w żelu wodnym, aby zapobiec ich sklejaniu. Ponadto akumulator tej konstrukcji można naładować w ciągu kilku sekund. Koszt żelu jest niski, ponieważ składa się tylko z wody i węgla.
Nowe technologie pojawiają się niemal co roku na świeciektóre pozwalają na bardziej racjonalne wykorzystanie wyczerpujących się zasobów naturalnych. Należy do nich wynalezienie grafenu, który w niedalekiej przyszłości może spowodować rewolucyjne zmiany w system transportu ze względu na swoje unikalne właściwości w dużej objętości do gromadzenia i przechowywania energii elektrycznej energia. Prawdopodobnie każdy będzie mógł zrobić baterię grafenową własnymi rękami za pomocą drukarki 3D.
