Что такое графеновые аккумуляторы для автомобилей

Популярность автомобилей на электротяге стремительно растёт. Но экологичные транспортные средства потребовали серьёзных вложений в разработку новых типов аккумуляторных батарей повышенной ёмкости. К таковым относятся и графеновые аккумуляторы, обладающие рядом преимуществ над литиевыми оппонентами.

Что такое графен

Можно не сомневаться, что это слово знакомо всем, но мало кто может объяснить, что скрывается за этим термином. На самом деле это разновидность углерода, характеризующаяся расположением атомов в кристаллической решётке в одной плоскости. Отсюда следует, что толщина такого материала составляет один атом, при этом он обладает рядом уникальных параметров: высокой прочностью и увеличенной энергоёмкостью.

Впервые в лабораторных условиях удалось создать графеновый слой на основе многослойного графита на базе из кремниевой подложки в 2004 году. Британские учёные российского происхождения К. Новосёлов и А. Гейм получили в 2010 году за свою разработку Нобелевскую премию. По существу графен – это тончайшая плёнка из атомов углерода, которая в один миллион раз тоньше листа офисной бумаги.

В настоящее время во многих странах учёные работают над совершенствованием технологии изготовления графена, который может вызвать революцию во многих областях производства, включая полупроводниковые устройства, мониторы и аккумуляторы.

Устройство графенового аккумулятора

Типичный графеновый аккумулятор – понятие весьма условное. Существует не так много производителей, занимающихся производством и совершенствованием таких устройств, и большинство из них не слишком расположены сообщать, как устроен графеновый аккумулятор, каковы особенности технологического процесса.

Пионером в сфере изготовления графеновых источников питания стала испанская компания Graphenano, анонсировавшая в 2015 году опытный образец такой АКБ.

Именно эта разработка дала мощный толчок стремительному развитию графеновых аккумуляторов для электромобилей, используемых в качестве замены традиционным ионно-литиевым батареям.

Основным отличием является использование тончайших графеновых плёнок вместо объёмного графита. Проблема заключается в том, что графен нестабилен и при любой возможности стремится снова превратиться в графит, то есть стать объёмным. Учёным удаётся стабилизировать графен, который используется в качестве гальванического элемента, эффективность этого процесса зависит от того, насколько удачно подобрана электронная пара к графену.

Большинство зарубежных моделей графеновых АКБ использует в качестве электролита LiCoO₂. Характеристики графеновых аккумуляторов для электромобилей уже впечатляют, а ведь технология находится на стадии младенчества. В частности, при одинаковой ёмкости они обеспечивают кратное возрастание скорости зарядки/разряда. Важность быстрого заряда (за 8–10 минут) не имеет смысла расписывать, но и способность скоростной разрядки позволяет существенно усилить разгонную динамику электромобилей. К тому же графеновые АКБ существенно легче литий-ионных, что позволяет при одинаковых габаритах создавать батареи на порядок большей ёмкости.

В сфере аккумуляторов для смартфонов и других портативных гаджетов дела идут не столь радужно, но в скором времени мы услышим о первых моделях, оснащённых графеновыми батареями.

Принцип работы графеновой АКБ

В общих чертах принцип действия АКБ с однослойным графитом такой же, как у классических автомобильных аккумуляторов: имеются положительные и отрицательные электроды, электрический ток между которыми возникает в среде электролита.

Основные отличия – в материалах изготовления пластин и свойствах электролита. Больше всего принцип работы графенового аккумулятора напоминает функционирование литий-полимерной батареи, только вместо графита используется его однослойный аналог. Разумеется, есть и другие отличия, обусловленные необходимостью удерживать графен в одномерной структуре.

В настоящее время существует два подхода в производстве таких аккумуляторов:

• американская модель производства предполагает использование в качестве активного вещества кобальтата лития, а пластины изготавливаются из графена и кремния;
• российские производители используют другой подход, заменив литиевую соль оксидом магния – он легче оппонента и не так токсичен.

В обоих случаях графеновый аккумулятор работает намного эффективнее за счёт увеличения скорости миграции заряженных частиц и возможности существенного увеличения их ёмкости при тех же габаритах.

Достоинства и недостатки графеновых технологий

Рассмотрим плюсы и минусы графеновых АКБ. Плюсов намного больше:

• при одинаковых характеристиках они весят меньше литий-ионных батарей;
• характеризуются лучшей проводимостью;
• они прочнее и полностью водонепроницаемы;
• обладают увеличенной удельной ёмкостью;
• экологически чистые и безопасные;
• отличаются хорошей ремонтопригодностью;
• компоненты таких АКБ довольно дёшевы.

Основной недостаток – высокая стоимость конечного устройства из-за сложной технологии удержания плоской структуры. Кроме того, на данный момент количество циклов заряда – разряда недостаточно велико.

Но в любом случае перспективы в автомобилестроительной отрасли у таких батарей отличные: по сравнению с лучшими литиевыми АКБ графеновые позволяют увеличить автономность втрое – до тысячи километров без подзарядки, причём процесс восстановления ёмкости занимает порядка 10 минут. Основная проблема – для этого нужна специальная очень мощная заправочная станция.

Как продвигаются разработки графеновых АКБ

Увы, но на сегодняшний день массовое производство подобных изделий так и не налажено. Испанская фирма Graphenano, впервые сумевшая разработать прототип инновационного источника питания, заявила, что при тестировании устройства удалось проехать без подзарядки порядка 1000 км, а сам процесс восстановления ёмкости занимает 7 минут.

Изначально планировалось начать выпуск таких АКБ в 2017 году, но на сегодня эти планы так и остались нереализованными – разработчики всё ещё работают над доведением технологий до уровня, достаточного для массового производства продукта. Инженеры Graphenano утверждают, что их графеновые аккумуляторы будут пожаро- и электробезопасными.

Многие европейские автоконцерны заявили о тестировании испанских батарей.

Активно разрабатываются такие АКБ и в США, где электромобили особенно популярны. Здесь основные усилия сосредоточены на повышении ёмкости батарей – в свете тотального перехода на электротягу именно этот фактор становится одним из основных.

Австралийские учёные из университета Monash стремятся стабилизировать графеновые пластины, переводя их в гелеобразное состояние. Это, по их мнению, позволит избежать слипания графеновых плёнок, а также заряжать такие батареи буквально за несколько секунд. Гелевый раствор, состоящий, кроме кремния, из очищенной воды, получать не так уж сложно, но пока дело не дошло даже до тестирования прототипа.

В России разработчики идут по пути замены лития магнием, но до серийных образцов дело пока тоже не дошло. Так что на сегодня автомобиль с графеновым аккумулятором – это пока что мечта.

Перспективы графена

Этот материал благодаря своим уникальным характеристикам способен произвести настоящую революцию во многих отраслях промышленности. Кроме аккумуляторов для электромобилей, ведутся активные разработки в сфере АКБ для смартфонов, и здесь дела идут даже лучше. На 2020 год анонсировано появление в продаже устройств от Real Graphene, обладающих улучшенными характеристиками по сравнению с литий-ионными аналогами.

Ведутся разработки в сфере создания более лёгких материалов, используемых в автомобилестроении, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Графен – отличный материал для создания гибких мониторов, компактных вычислительных устройств, устройств для хранения данных, систем фильтрации жидкостей. Словом, дело за удешевлением производства графена.