Что такое графеновая батарея? [Простой обзор]

В наши дни аккумуляторные технологии значительно улучшились. Но если есть одна вещь, которой люди никогда не смогут насытиться, так это обещание продления срока службы батареи. Разве не было бы замечательно, если бы наши ноутбуки и смартфоны проработали целую неделю интенсивного использования всего за одну зарядку? Или что, если бы электромобили можно было полностью зарядить за считанные минуты?

С графеновыми батареями это возможно.

Графен в настоящее время является наиболее изученным материалом для хранения заряда. Результаты, полученные в различных лабораториях по всему миру, подтверждают его потенциал, чтобы произвести революцию в отрасли хранения энергии.

Обнаруженный в 2004 году, графен может предоставить много новых функций для устройств хранения энергии в следующем десятилетии, таких как полностью катящиеся батареи, конденсаторы меньшего размера, устройства большой емкости и быстрой зарядки, а также прозрачные батареи.

Давайте копнем глубже и узнаем больше об этой революционной технологии:чем она отличается от существующих литий-ионных аккумуляторов, каковы ее области применения и почему это так важно.

Что такое графеновая батарея?

Графен, состоящий из атомов углерода, образующих двумерную сотовую решетку, признан «чудо-материалом» из-за его уникальных свойств. Это отличный проводник тепла и электричества, впечатляюще гибкий, почти прозрачный, в 100 раз прочнее стали той же толщины и чрезвычайно легкий.

Атомы в графене расположены в двухмерной сотовой решетке

А поскольку этот материал также является экологически чистым и устойчивым, у него есть неограниченные возможности в широком спектре применений. Одно из таких многообещающих применений - аккумулятор нового поколения.

Графен может быть интегрирован в различные типы батарей:металл-воздушные, окислительно-восстановительные, литий-металлические, литий-серные и, что более важно, литий-ионные батареи. Его можно химически перерабатывать в различные версии, подходящие как для отрицательного, так и для положительного электродов.

Батареи, сделанные из графена, могут питать все, от карманных устройств до электромобилей. Они обладают большей мощностью и более длительным сроком службы, чем существующие коммерческие (литий-ионные) батареи.

Графен в качестве батареи также может использоваться в качестве суперконденсатора, который может заряжаться и разряжаться невероятно быстро. Фактически, они могут помочь цивилизации наконец отказаться от вредных ископаемых видов топлива.

Чем они отличаются от традиционных батарей?

Технология графеновых батарей аналогична литий-ионным батареям:у них есть два твердых электрода и раствор электролита, обеспечивающий поток ионов. Однако некоторые графеновые батареи содержат твердый электролит.

Основное различие заключается в составных частях одного или обоих электродов. В обычной батарее катод (положительный электрод) полностью изготовлен из твердотельных материалов. Однако в графеновой батарее катод состоит из гибридного компонента, который содержит графен и твердотельный металлический материал.

Количество графена, используемого в электроде, варьируется в зависимости от эффективности твердотельного материала и требований к характеристикам. Кроме того, графен в качестве анода обеспечивает высокую емкость и высокую скорость передачи.

Текущие проблемы

В последние годы исследователи продемонстрировали различные батареи на основе графена, которые превосходят имеющиеся в продаже. Однако технология еще не вышла на рынок. Еще предстоит преодолеть два основных препятствия:

1. Отсутствие эффективных процессов производства высококачественного графена в больших количествах.
2. Производственные затраты на данный момент непомерно высоки.

Производство одного килограмма графена стоит десятки тысяч долларов:количество варьируется в зависимости от требований к качеству материалов. Поскольку активированный уголь, который в настоящее время используется в суперконденсаторах, доступен по низкой цене (15 долларов за кг), другим материалам очень трудно выйти на коммерческий рынок.

12 новых характеристик графеновых батарей

Вскоре из графена можно будет создать устройства накопления энергии нового поколения с необычными характеристиками, которые невозможны с использованием современных технологий.

1. Суперконденсаторы с фильтрацией линии переменного тока

Электрический двухслойный конденсатор на основе вертикально ориентированных листов графена можно было заряжать / разряжать очень быстро (менее чем за миллисекунду). Десятки материалов были протестированы на фильтрацию линии переменного тока, в том числе оксид графена, ковер графен-УНТ (углеродная нанотрубка) и графеновые квантовые точки.

Такие сверхбыстрые суперконденсаторы могут заменить большие электролитические конденсаторы, которые в настоящее время используются в электронике, делая электронные устройства легче и меньше.

2. Гибкие накопители энергии

Существующие батареи и суперконденсаторы жесткие:поэтому их изгиб может привести к утечке электролита и повреждению элементов. Однако графен с его двумерной структурой толщиной в один атом можно деформировать в направлении, перпендикулярном его поверхности, без каких-либо повреждений.

Помимо присущей ему механической гибкости, феноменальные электрические характеристики и большая площадь поверхности делают графен перспективным материалом для гибких батарей.

3. Растягиваемые батареи и суперконденсаторы .

Растягиваемые устройства накопления энергии могут быть созданы за счет использования структурной растяжимости электродов из микрочастиц из композита графен-УНТ / активный материал и физически сшитого гелевого электролита.

Пленка графен-УНТ / активный материал на растягивающейся подложке | Предоставлено:ACS Nano

Активные материалы, соединенные между собой перепутанными углеродными нанотрубками и листами графена, создают механически стабильный каркас пористой сети, а выступающий внутрь каркас в сотовой структуре допускает растяжение структуры во время деформации.

4. Литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой .

Поскольку графен обеспечивает более быстрый перенос ионов и электронов в электродах, литий-ионные батареи, оснащенные графеном, можно заряжать и разряжать гораздо быстрее.

Например, литий-ионный аккумулятор с наноразмерным LiFePO ₄ катод и Li ₄ Ti ₅ О ₁₂ анодные материалы на гибкой графеновой пене могут быть полностью заряжены всего за 18 секунд. Чистый графен также можно использовать на аноде для увеличения емкости и сверхбыстрой скорости заряда / разряда.

5. Батареи для носимых устройств .

Последние достижения в области коаксиальных электродов и электродов с сердечником и оболочкой сделали возможным объединение электродного материала и токосъемника в единую пряжу, которую можно ткать или связывать непосредственно в текстиль.

Из графена можно эффективно собирать многофункциональные микроволокна и вплетать их в ткани. Графеновые микроволокна сердцевина-оболочка уже использовались для демонстрации гибких и растяжимых суперконденсаторов (с высокой поверхностной емкостью), которые можно использовать в текстильных изделиях с использованием традиционных методов ткачества.

6. Ультратонкие токоприемники для легких устройств

В существующих батареях используются токосъемники из металлической фольги (например, из меди, алюминия или никеля) толщиной 20-80 микрометров для облегчения потока электронов между электродами и внешними цепями. Поскольку эти металлы не накапливают заряд, они снижают общую плотность энергии батареи. Кроме того, они подвержены коррозии, что отрицательно сказывается на внутреннем сопротивлении элемента и сроке службы батареи.

С другой стороны, графен - лучший альтернативный токоприемник. Он имеет высокую электропроводность, низкую плотность и может стабильно работать в экстремальных условиях эксплуатации. Графен может быть легко преобразован в пленки с рябью и морщинами на его поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это еще больше снижает сопротивление ячейки).

7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы

Благодаря своей высокой проводимости и приличной прозрачности (коэффициент пропускания до 97,7%) графен может сыграть значительную роль в повышении эффективности прозрачных батарей. Его можно использовать в качестве электродного материала не только для разработки прозрачных накопителей энергии, но и для умных окон, солнечных элементов и различного оптоэлектронного оборудования.

8. Аккумуляторы с увеличенным сроком службы

В современных литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Его плотность энергии можно увеличить, заменив графит графеном.

Графеновые электроды в виде свернутой графеновой бумаги, пористых графеновых пленок и каркасов из сольватированного графена обладают в три раза большей емкостью, чем традиционные графитовые электроды, обещая более длительный диапазон действия для электромобилей и более длительное время работы для портативных устройств.

Емкость и плотность мощности могут быть дополнительно улучшены за счет легирования графеновых анодов азотом и бором.

9. Оксид графена как твердый электролит и разделитель

Оксид графена - хороший электронный изолятор. Его можно использовать одновременно как надежный твердый электролит и как разделитель электродов. Некоторые исследования показывают, что пленка оксида графена, действующая как твердый электролит, обладает высокой емкостью, но с необнаруживаемой ионной диффузией, как в диэлектрических конденсаторах.

Эти наблюдения могут помочь исследователям разработать сверхбыстрые, легкие, энергоемкие конденсаторы, которые не страдают от диффузии ионов, которая часто является причиной опасности утечки электролита.

10. Суперконденсаторы с плотностью энергии батарей

Суперконденсаторы, изготовленные из [пористой и плотной] графеновой пены, как правило, имеют сверхвысокую плотность энергии, сравнимую со свинцово-кислотными батареями. Эти графеновые пены получают путем выкапывания крошечных отверстий в базисных плоскостях графена и последующего их сжатия с помощью современного гидравлического оборудования.

Основное преимущество графеновых суперконденсаторов по сравнению с традиционными заключается в том, что они работают с водными электролитами и могут изготавливаться без сложной сборки в «сухой комнате».

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена

Мембраны из оксида графена обладают различными уникальными барьерными характеристиками. В сухом состоянии эти мембраны непроницаемы для всего, кроме водяного пара. В воде они действуют как молекулярные сита, блокируя большие ионы, облегчая перенос более мелких.

Эти особенности могут привести к разработке ионоселективных мембран нового поколения для суперконденсаторов, батарей и топливных элементов.

12. Электроды без связующих и добавок

Связующее и добавки вместе составляют до 40% массы электрода. Он известен как «мертвая масса», потому что не накапливает заряд и, таким образом, снижает общую плотность энергии.

Но поскольку графен может быть собран в автономные 2D- и 3D-структуры с высокой электропроводностью, можно напрямую включать графен в электроды, без добавления каких-либо связующих и проводящих агентов.

Прочтите:твердотельный аккумулятор [простой обзор]

Недавние исследования

В последнее десятилетие ученые сосредоточились на улучшении комплексных электрохимических характеристик и надежности существующих батарей. Они разработали и протестировали множество различных версий батарей, оснащенных графеновыми композитами.

Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен / кремний

Исследователи изготовили оптимизированный композит восстановленный оксид графена / кремний, используя простой шаблонный метод самосборки. Графен равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя трехмерную сеть (благодаря усиленному межмолекулярному взаимодействию и увеличенной удельной поверхности).

Синтетическая стратегия оптимизированного композита RGO / Si | Предоставлено:публикации ACS

Его можно использовать в качестве стабильного межфазного слоя из твердого электролита, который увеличивает как электрическую проводимость, так и структурную стабильность.

мешочки на основе графена

Квазитвердотельная литий-кислородная батарея на основе графена обеспечивает более высокие гравиметрические и объемные плотности энергии, чем существующие литий-ионные полимерные батареи. Он состоит из трехмерного пористого графенового катода, пористого анода графен / Li и гелевого полимерного электролита, модифицированного окислительно-восстановительным медиатором.

Схематическое изображение Li-O2 батареи на основе графена | Кредит:Природа

Это исследование открывает новые возможности для разработки безопасных и стабильных литий-кислородных батарей со стабильной циклической работой при большой емкости и низком перенапряжении заряда.

Графеновые многослойные пленки для емкостного накопления энергии

В 2020 году группа исследователей разработала автономный пленочный электрод из слоистого графена с высокоэффективным использованием пор. Настроить пористость легко, отрегулировав расстояние между слоями пленки. Поскольку поры используются оптимально, объемная емкость увеличивается до максимума.

Гибкий графеновый суперконденсатор может хранить в 10 раз больше энергии, чем обычные | Кредит:Университетский колледж Лондона

Этот тип суперконденсаторов может сохранять 97,8% своей энергоемкости после 5000 циклов. Кроме того, они очень гибкие:при изгибе на 180 градусов они работают почти так же, как и в горизонтальном положении.

Лазерно-индуцированный электрод на основе графена

Ученые изготовили гибкий микро-суперконденсатор с помощью штамповки с одним импульсом лазерного фотонного уменьшения. Используя этот метод, можно производить 1000 лазеров пространственной формы в секунду, а за 10 минут - более 30 000 микро-суперконденсаторов.

Более 30 000 MSC производятся на площади в один сантиметр | Фото:Пекинский технологический институт

Этот индуцированный лазером электрод на основе графена демонстрирует выдающуюся удельную емкость, сверхкороткую постоянную времени, сверхвысокую плотность энергии и длительную цикличность.

Рынок

Исследования графена продолжат расширяться в течение следующего десятилетия, обещая сделать жизнь людей лучше. В 2019 году мировой рынок графеновых батарей оценивался в 49 миллионов долларов, и, по прогнозам, к 2027 году он достигнет примерно 399 миллионов долларов, что означает CAGR (совокупный годовой темп роста) более 31% в течение прогнозируемого периода.

Рост рынка обусловлен использованием графеновых батарей в электромобилях, портативных электронных устройствах и резким увеличением использования нетрадиционных источников энергии. Ожидается, что автомобильный сегмент будет иметь самые высокие темпы роста из-за растущего спроса на электромобили из-за экологических проблем.

Читайте:10 различных типов батарей | Разъяснил

Согласно прогнозам, на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться самая большая доля индустрии графеновых батарей. Ключевыми странами, способствующими увеличению спроса, являются Китай, Япония и Южная Корея. Европа, вероятно, будет занимать вторую по величине долю на мировом рынке графеновых батарей.