Графиновые батареи: будущее долговечной энергии

Технологии батарей шагнули вперёд, но аппетит людей к автономности не знает границ. Мечта — ноутбук и смартфон, живущие неделю интенсивной работы от одного заряда, или электромобиль, заряжающийся за минуты.

Графиновые батареи делают это возможным.

Графин — самый исследуемый материал для накопления заряда. Лаборатории по всему миру подтверждают: он способен перевернуть индустрию энергохранения.

Открытый в 2004 году, графин в ближайшее десятилетие подарит: полностью свиваемые батареи, миниатюрные конденсаторы, устройства с огромной ёмкостью и мгновенной зарядкой, прозрачные источники питания.

Разберём, чем графин лучше литий-ионных батарей, где его применят и почему это прорыв.

Что такое графиновая батарея?

Графин — одноатомный слой углерода в виде двумерной сотовой решётки. «Чудо-материал» благодаря уникальным свойствам:

• отличный проводник тепла и электричества;
• невероятно гибкий;
• почти прозрачный (пропускает 97.7% света);
• в 100 раз прочнее стали при той же толщине;
• экстремально лёгкий;
• экологичен и устойчив.

Атомы графика в двумерной сотовой решётке

Графин интегрируют в разные типы батарей: металл-воздух, редокс-потоковые, литий-металл, литий-сера и, главное, литий-ионные. Его химически модифицируют для анодов и катодов.

Графиновые батареи запитают всё — от гаджетов до электромобилей. Они хранят больше энергии и выдерживают больше циклов заряда, чем коммерческие литий-ионные.

Как суперконденсаторы графин заряжается и разряжается мгновенно. Это поможет человечеству отказаться от ископаемого топлива.

Отличия от традиционных батарей

Принцип похож на литий-ионные: два твёрдых электрода и электролит для движения ионов. Но некоторые графиновые батареи используют твёрдый электролит.

Главное отличие — состав электродов. В обычной батарее катод (плюс) — чистый твёрдый материал. В графиновом — гибрид: графин + металлический компонент.

Доля графика варьируется в зависимости от требуемой эффективности. Как анод графин даёт высокую ёмкость и скорость заряда/разряда.

Текущие вызовы

Лабораторные образцы уже обыгрывают серийные батареи. Но на рынок не вышли. Две главные преграды:

1. Нет дешёвого способа производить качественный графин в тоннах.
2. Стоимость производства запредельно высока.

Килограмм графика стоит десятки тысяч долларов (зависит от качества). Активированный уголь для суперконденсаторов стоит $15/кг — конкуренту очень трудно пробиться на рынок.

12 новых возможностей графиновых батарей

В ближайшее время графин создаст поколение накопителей с невозможными сегодня характеристиками:

1. Суперконденсаторы с фильтрацией переменного тока

Конденсатор на вертикально ориентированных листах графика заряжается/разряжается за <1 мс. Тестировали оксид графика, ковры из графин-CNT, квантовые точки графика. Такие ультрабыстрые суперконденсаторы заменят громоздкие электролитические конденсаторы — гаджеты станут легче и компактнее.

2. Гибкие накопители энергии

Обычные батареи и суперконденсаторы жёсткие — при изгибе текут и ломаются. Графин с одноатомной структурой гнётся без ущерба. Плюс феноменальная проводимость и огромная площадь — идеальный материал для гибких батарей.

3. Растяжимые батареи и суперконденсаторы

Создаются на композитных электродах из микромедовых структур графин-CNT/активного материала и физически reticulированном гель-электролите.

Плёнка графин-CNT на растяжимом подложке | Источник: ACS Nano

Активные материалы, связанные запутанными нанотрубками и листами графика, формируют прочную пористую сеть. Внутренние выступы сотовой структуры позволяют растягиваться при деформации.

4. Быстрозаряжаемые литий-ионные батареи

Графин ускоряет перенос ионов и электронов в электродах. Литий-ионная батарея с нано-катодом LiFePO₄ и анодом Li₄Ti₅O₁₂ на гибкой графиновой пене заряжается за 18 секунд. Чистый графин на аноде даёт ещё большую ёмкость и скорость.

5. Батареи для носимых устройств

Коаксиальные и core-sheath электроды позволяют объединить материал электрода и токосниматель в одну нить, которую ткут прямо в ткань.

Графин собирают в многофункциональные микроволокна и ткут в ткани. Графиновые core-sheath микроволокна уже демонстрировали гибкие растяжимые суперконденсаторы с высокой площадной ёмкостью, вшиваемые традиционным ткачеством.

6. Ультратонкие токосниматели для лёгких устройств

Сейчас используют металлические фольги (медь, алюминий, никель) толщиной 20–80 мкм. Они не хранят заряд, снижают удельную энергию, корродируют, повышают внутреннее сопротивление и убивают ресурс.

Графин — лучший токосниматель: высокая проводимость, низкая плотность, стабильность в экстремальных условиях. Плёнки с волнистой поверхностью улучшают контакт с активным материалом, снижая сопротивление ячейки.

7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы

Благодаря проводимости и прозрачности (97.7%) графин делает прозрачные батареи эффективными. Применение: прозрачные накопители, умные окна, солнечные элементы, оптоэлектроника.

8. Долгоживущие батареи

Сегодняшние литий-ионные используют графитовые аноды. Замена на графин даёт в 3 раза больше ёмкости — больший запас хода электромобилей и время работы гаджетов.

Задопинг азота и бором ещё больше повышает ёмкость и мощность.

9. Оксид графика как твёрдый электролит и сепаратор

Оксид графика — хороший диэлектрик. Работает и как твёрдый электролит, и как сепаратор одновременно. Плёнка оксида графика показывает высокую ёмкость без ионной диффузии (как диэлектрические конденсаторы).

Это ведёт к ультрабыстрым, лёгким, ёмким конденсаторам без утечки электролита.

10. Суперконденсаторы с энергоплотностью батарей

Пористые и плотные графиновые пены достигают удельной энергии свинцово-кислотных аккумуляторов. Пены делают нанизыванием дырок в базовых плоскостях графика и гидравлическим сжатием.

Главный плюс — работают на водных электролитах, не нужны сухие комнаты для сборки.

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графика

В сухом состоянии пропускают только водяной пар. В воде — как молекулярные сита: блокируют крупные ионы, пропускают малые.

Основа для новых ионоселективных мембран суперконденсаторов, батарей и топливных элементов.

12. Электроды без связующих и добавок

Связующие и добавки — до 40% массы электрода. «Мёртвая масса», не хранящая заряд, снижает удельную энергию.

Графин сам собирается в самонесущие 2D/3D структуры с высокой проводимостью — можно делать электроды без связующих и проводящих добавок.

Недавние исследования

Десятилетие ушло на улучшение электрохимической характеристики и надёжности. Разработали и протестировали множество композитов с графином.

Литий-ионная батарея на оптимизированных нанокомпозитах графин/кремний

Создали оптимизированный редуцированный оксид графика/кремний фасельным самосбором. Графин равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя 3D-сеть (благодаря усиленному межмолекулярному взаимодействию и увеличенной удельной площади).

Синтез оптимизированного RGO/Si композита | Источник: ACS Publications

Работает как стабильный твёрдый электролитный межфазный слой, повышая проводимость и структурную стабильность.

Графиновые pouch-ячейки

Квази-твёрдотельная литий-кислородная батарея на графине превосходит литий-ионные полимерные по гравиметрической и объёмной энергоплотности. Состав: 3D пористый графиновый катод, пористый графин/литий анод, гель-полимерный электролит с редокс-посредником.

Схема графиновой Li-O₂ батареи | Источник: Nature

Открыт путь к безопасным стабильным литий-кислородным батареям с большой ёмкостью и низким заряжным перепадом.

Графиновые ламинированные плёнки для ёмкостного хранения

2020 год: фристендинговый графиновый ламинированный электрод с эффективным использованием пор. Пористость настраивается межслойным расстоянием. Объёмная ёмкость максимизирована.

Гибкий графиновый суперконденсатор хранит в 10 раз больше энергии обычных | Источник: University College London

Сохраняют 97.8% ёмкости после 5000 циклов. Практически не теряют характеристики при изгибе 180°.

Лазерно-индуцированные графиновые электроды

Гибкий микро-суперконденсатор однопульсовым лазерным фоторедукционным штампованием. 1000 пространственных форм в секунду, >30 000 микро-суперконденсаторов за 10 минут на 1 см².

>30 000 MSCs на 1 см² | Источник: Beijing Institute of Technology

Показали выдающуюся удельную ёмкость, ультракороткую временную постоянную, ультравысокую энергоплотность и долгий цикл.

Рынок

Исследования графика растут с обещанием улучшить жизнь. В 2019 году рынок графиновых батарей — $49 млн, к 2027 — ~$399 млн (CAGR >31%).

Драйверы: электромобили, портативная электроника, возобновляемая энергетика. Автосегмент лидирует по росту из-за спроса на ЭВ и экологии.

По регионам: Азиатско-Тихоокеанский регион (Китай, Япония, Южная Корея) — крупнейшая доля. Европа — вторая.