Takmer každé dnešné prenosné elektronické zariadenie – či už sú to naše smartfóny alebo elektrické vozidlá, sú vybavené široko používanými lítium-iónovými batériami. Držia obmedzené nabitie, sú dosť objemné, vyžadujú časté nabíjanie a majú skromnú životnosť. To je dôvod, prečo výskumníci tvrdo pracovali na uvedení najdiskutovanejšej alternatívy k lítium-iónovým batériám, t.j. grafénovej batérie.
Hovorí sa, že grafénové batérie sú absolútnou alternatívou k našim súčasným lítium-iónovým batériám. Grafénové batérie sú samy o sebe dosť ľahké, pokročilé a výkonné. Zistilo sa, že grafén je vynikajúci materiál, a to nielen vyššia elektrická a tepelná vodivosť, ale je tiež celkom ľahký, flexibilný a odolný. Grafénové batérie sa teda vyvíjajú už mnoho rokov a očakáva sa, že v najbližších rokoch sa stanú hlavným prúdom.
Ak vás teda zaujíma grafén, grafénové batérie a ako sa líšia od vašich štandardných lítium-iónových batérií, potom ste pristáli na správnom mieste. Tu je všetko, čo potrebujete vedieť o grafénových batériách:
Poznámka: Tento článok zahŕňa použitie veľkého množstva vedeckej a chemickej terminológie, ale pokúsili sme sa ho pre vaše pochopenie čo najviac zjednodušiť.
Čo je grafén? Aké sú jeho výhody?
Namiesto toho, aby som sa ponoril priamo do sveta grafénových batérií, dovoľte mi najprv povedať o samotnom graféne. Stavím sa, že väčšina z nás sa v škole naučila, že uhlík existuje na Zemi v mnohých rôznych formách, od grafitu po diamant. To sa deje kvôli rôznemu usporiadaniu atómov uhlíka v rôznych materiáloch. To isté platí pre grafén.
Grafén je dvojrozmerná (2D) štruktúra, kde sú atómy rozložené naplocho, aby vytvorili šesťuholníkové uhlíkové kruhy ako plást. Štruktúra je vysoká iba jeden atóm a vďaka svojim vlastnostiam je jedným z najzaujímavejších objavov poslednej doby. Aj keď grafén áno extrémne tenké, ľahké a takmer priehľadné, tento materiál sa stal známym tým, že je silnejší ako diamant a oceľ. Je super silný a je tiež skvelým vodičom elektriny.
Plochá šesťhranná štruktúra uľahčuje tok elektriny s malým odporom zlepšená elektrická a tepelná vodivosť lepšie ako najvodivejšia kovová meď. Nepotrebujete žiadne špeciálne podmienky, pretože grafén ponúka pozoruhodnú vodivosť v miestnosti samotných teplôt, čo z neho robí jeden z perfektných materiálov pre tvorbu novej generácie batérie.
Grafénové batérie: Ako sa líšia od lítium-iónových batérií?
Vnútorná štruktúra a grafénová batéria je celkom podobná štandardnej lítium-iónovej batérii. Máte 2 elektródy a roztok elektrolytu na umožnenie toku náboja, ale je tu výrazný rozdiel. Jedna z elektród v batériách na báze grafénu, väčšinou katóda, je nahradená hybridným kompozitným materiálom (kov v tuhom stave + grafén), ktorý sa používa namiesto štandardného kovu v tuhom stave.
Zatiaľ čo grafénové batérie sa čoskoro ukážu ako oveľa lepšie ako lítium-iónové batérie, výskumníci sa teraz snažia zlepšiť výkon batérií pre existujúce batérie pomocou grafénu. Mohli by využiť vodivosť tohto materiálu a väčšiu povrchovú plochu v anóde na optimalizáciu lítium-iónových batérií.
Výskumníci sú tiež známi tým, že pracujú na hybridných materiáloch, ako je oxid vanádu (VO2) a grafén, čo by mohlo byť užitočné aj pre lepšiu optimalizáciu batérie, rýchle nabíjanie a vybíjanie batérie.
Výhody používania grafénovej batérie
Grafénová batéria je nová technológia, ale to neznamená, že nebola testovaná. Výrobcovia venovali dosť času výskumu grafénových batérií a prečo by to neurobili, najmä keď sú lepšie ako lítium-iónové batérie, ktoré práve používame. Poďme sa teda rýchlo pozrieť na výhody používania grafénovej batérie:
- Menšia, tenšia batéria: Už sme diskutovali o tom, ako je grafén ľahký. Keď naskladáte 3 milióny vrstiev grafénu, získate hrúbku 1 mm. Myslím, že by to malo stačiť na to, aby sme vám povedali, že grafénové batérie nezaberú veľa miesta vo vašom budúcom smartfóne. Umožní výrobcom umiestniť batérie s vyššou kapacitou do vašich telefónov, tabletov, notebookov a ďalších.
- Vyššia kapacita: Grafén má vyššiu energetickú hustotu v porovnaní s lítium-iónovými batériami. Tam, kde je známe, že grafén uchováva až 180 Wh na kilogram, grafén je schopný uložiť až 1 000 Wh na kilogram. Takže môžete mať grafénovú batériu s vyššou kapacitou rovnakej veľkosti ako lítium-iónová batéria.
- Rýchlejšie časy nabíjania: Grafén je silný vodič elektrickej energie, pretože voštinová štruktúra nekladie žiadny odpor toku elektrónov. Dokáže sa teda rýchlo nabíjať a zároveň vám poskytuje dlhšiu výdrž batérie v porovnaní s lítium-iónovými batériami.
- Tepelný manažment: Áno, možno ste to neuhádli, ale grafén tiež uľahčuje lepšie odvádzanie tepla. Dokáže znížiť prevádzkovú teplotu batérie až o 5 stupňov, takže sa váš telefón nebude zahrievať pri nabíjaní alebo hraní hier.
- Väčšia bezpečnosť: Očakáva sa, že grafénové batérie budú oveľa bezpečnejšie ako lítium-iónové batérie, pretože materiál je pružnejší a pevnejší. To znamená, že budúce batérie nebudú potrebovať veľa ochranných puzdier, zaberú menej miesta a budú ľahké.
Aby sme všetko zhrnuli, grafénová batéria bude v najbližších rokoch lepšou voľbou ako lítium-iónová batéria. Bude pozoruhodne lacnejší, menší, ľahší a zároveň ponúkne väčšie elektrické úložisko a vyššiu rýchlosť nabíjania.
Nedostatky grafénovej batérie
Grafénové batérie majú množstvo výhod, ale jeden nedostatok, ktorý bráni ich masovému rozšíreniu v našich zariadeniach, je hromadnú výrobu a súvisiace náklady v rovnakom.
Prečo je ťažké sériovo vyrábať grafénové batérie? Je to kvôli nedostatku uskutočniteľnej techniky na hromadnú výrobu vysokokvalitného grafénu. Určite by ste si mohli vyrobiť grafén doma pomocou grafitu a lepiacej pásky, ale to nefunguje pri hromadnej výrobe batérií. Nedostatok toho istého tiež zvyšuje výrobné náklady, pretože bude potrebné vziať do úvahy kvalitu materiálov, ktoré môžu dosahovať desiatky až tisíce dolárov.
V súčasnosti sú grafénové batérie vyvíjané v malom množstve niekoľkými výrobcami. Iní ako Samsung však hľadajú spôsoby, ako znížiť náklady, aby sa batérie novej generácie dali použiť. Kórejský gigant údajne prišiel na cenovo dostupné prostriedky na výrobu grafénových batérií a aktualizáciu môžeme očakávať už čoskoro.
Komercializácia grafénových batérií
Grafénové batérie majú mimoriadny potenciál a dosahujú lepšie výsledky ako existujúce batérie – niečo, čo by vám už malo byť celkom jasné. Výskum v tejto oblasti bol v posledných desaťročiach dosť bujný, ale stále budeme musieť byť trpezliví pri jeho komercializácii.
Mnohé spoločnosti v súčasnosti testujú grafénové batérie alebo sa snažia vylepšiť lítiové batérie s grafénom na zvýšenie ich výkonu, ale nie sú plne komerčne dostupné na moment.
Výskum grafénu spoločnosti Samsung
Samsung SDI, pobočka na výrobu batérií kórejského giganta, aktívne pracuje v tejto oblasti a za posledných pár rokov zaznamenala viacero prelomov. Najprv sme sa to naučili Samsung malrozvinutý"grafénové guličky‘ vďaka čomu by lítium-iónové batérie mohli vydržať dlhšie (a zároveň ponúknuť o 45 % zvýšenú kapacitu) a 5-krát rýchlejšie sa nabíjať.
Spoločnosť Samsung odvtedy mlčí o svojich plánoch na grafénové batérie, s výnimkou niekoľkých vystúpení na výstavách automobilov a elektroniky. Objavili sa však správy, že nový Samsung pracuje na smartfóne s grafénovou batériou a mohla by byť predstavená v roku 2020 alebo 2021. Tieto batérie sa údajne plne nabijú za pol hodiny, zostanú funkčné aj pri vyšších 60-stupňových teplotách, no ich kapacitu a zloženie momentálne nepoznáme.
Dodatočný výskum a OEM
Okrem Samsungu existuje množstvo výrobcov batérií, ako napríklad CellsX, ktorí už vyrábajú a dodávajú grafénové batérie svojim partnerom. Navrhli nielen menšie batérie pre power banky (viac o tom nižšie), ale vyrobili aj väčšie batérie pre modelové kvadrokoptéry a EV. Huawei tiež v roku 2016 predstavil lítium-iónové vylepšené grafénom, ktoré ponúka dlhší prevádzkový čas a uľahčuje odvod tepla.
Aj keď sa grafénové batérie na našich telefónoch ešte len neobjavia, stále ich môžete nabíjať pomocou napájacej banky s grafénovými batériami. Áno, na trhu máme k dispozícii niekoľko energetických bánk s grafénovými batériami. Tieto power banky, nazývané Apollo a Ultron, prešli na crowdfunding, získali potrebný počet podporovateľov a už tieto produkty dodávajú. Všetko o týchto power bankách si môžete prečítať tu.
Na druhej strane renomovaný výrobca elektromobilov Tesla a Indický denník 9 sú prejavujú záujem o batérie typu metal-air. Zahŕňajú použitie grafénovej tyče ako katódy, pretože je porézna a prepúšťa vzduch. Metal-air batérie môžu pomôcť zvýšiť efektivitu batérie až 5-krát pri tretinových nákladoch, čo znie skvele.
POZRI TIEŽ: Najlepšie grafénové power banky, ktoré si môžete kúpiť
Grafénové batérie môžu zmeniť hru
Grafénové batérie sú určite ďalšou veľkou vecou, pretože uhlíka je v porovnaní s lítiom, čo je vzácny kov, hojná. Výrobcovia sa od jeho objavenia v roku 2004 pokúšali použiť grafénový materiál takmer vo všetkom. Môžeme teda očakávať, že množstvo produktov s obsahom grafénu, najmä grafénových batérií, sa zrealizuje v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov. Stále budú obmedzené na vybrané smartfóny, ale čoskoro budeme mať aspoň funkčný prototyp. Aké sú vaše očakávania od grafénových batérií? Tešíte sa na ešte väčšie batérie? Dajte nám vedieť v komentároch nižšie.
Nedávno som čítal o grafénových batériách a narazil som na Graphene Manufacturing Group, ktorá vyrába hliníkovo-iónové batérie. Zloženie hliníkovo-iónovej batérie pozostáva z anódy z hliníkovej fólie, grafénovej katódy a chloridového hliníka. Žiadne lítium ani kovy vzácnych zemín. Navyše na výrobu grafénu používajú uhlík z metánu opúšťajúceho vodík. Vodík je čisto horiace palivo, ale nikdy sa nenašlo, kde je napísané, čo s ním robia.
OdpovedzteRád by som mal nejaké informácie o budúcich batériách (200-300 ah) pre karavany, napr.: náklady na veľkosť atď. v porovnaní s lítiom. Tieto batérie znejú úžasne. Rozmýšľal som nad kúpou lítiových batérií pre moju dodávku, ale myslím, že zatiaľ budem držať.
OdpovedzteLítium-iónové batérie s vylepšeným grafénom sú už na čínskom trhu široko používané. V meste, kde žijem, poháňajú všetky ebike pre veľkú doručovaciu službu a spoločnosť úzko spolupracuje s výrobcom superautomobilov. Vyrábajú tiež batériu vhodnú pre golfové vozíky, drony a náradie. Bosch niektoré z nich používa na náradie.
OdpovedzteDúfam, že grafénovým batériám bude umožnené prísť na trh a že ich ťažia aj ťažobné spoločnosti z rôznych krajín, takže nakoniec budeme mať stabilnú dodávku surovej suroviny. materiál a tiež, že nájdu čisté a efektívne spôsoby spracovania grafitu na grafén, takže máme udržateľný spôsob, ako vyrobiť bezpečnejší, ľahší a vyššiu energetickú hustotu batérie. Spôsobí revolúciu v dopravnom priemysle a priemysle domácej solárnej energie, ako aj v mnohých ďalších produktoch, ktoré budú dobre slúžiť ľudstvu.
OdpovedzteFred Stebbing: Podľa iných zdrojov bol grafén objavený okolo roku 2004. Myslím si však, že máte na mysli grafit – ktorý bol objavený pred viac ako dvoma storočiami. Grafit sa mohol používať celé eóny.
OdpovedzteEšte jedna myšlienka o Grafene. V mojom štáte MI štátna / federálna vláda zaviedla obmedzenia na to, KTORÉ SPOLOČNOSTI môžu predávať solárne a batériové systémy na domáce použitie. Povoľujú spoločnosti ako Generac, ale nie Tesla, kde sú systémy, ktoré umožňujú, dobré, ale o 40 000 dolárov viac ako Tesla za systém s nižším výkonom. Michiganské energetické spoločnosti ako DTE, Consumres atď. mať konečné slovo o tom, či „oni“ schvália váš nákup a koľko energie si môžete kúpiť pre seba – teda pokiaľ úplne neodpojíte ich služby. Myslím si, že ide o antitrust voči spotrebiteľovi. Nechajú sa vyjadriť nejakí právnici?
OdpovedztePlne grafénové batérie sú inertné! Ide teda o nápady pre automobily a lietadlá. Elektrické lietadlá budú potrebovať túto technológiu, pretože súčasné lietadlá vypúšťajú palivo, keď sa vyskytne problém z dôvodu bezpečnostných problémov. Bezpečnejšie, rýchle nabíjanie, vyššia kapacita a úspora nákladov budú kľúčovými faktormi pre prijatie, keď výrobcovia vyriešia problémy sériovej výroby.
OdpovedzteGrafén bol prvýkrát objavený v minulom storočí
Odpovedzte-
Som to len ja alebo som objavil nesprávne pomenovanie (najbližší popis chyby, na ktorú som mohol prísť, keď som sa snažil byť zdvorilý)
Ak je kapacita batérie 1 000 Wh na kg oproti 180 Wh na kg a objem by bol rovnaký, potom by to bolo pôsobivé, ale keď máte ľahší materiál na hmotnosť 1 kg, potom by ste mali väčší objem?
Takže ak mi niečo nechýba, váš mobilný telefón, EV alebo čokoľvek iné bude zaberať viac miesta pomocou batérie vyrobenej z grafénu……..Odpovedztenie je to len otázka hustoty, ale aj skutočného zloženia materiálu, štruktúra a kapacita sa líši medzi lítiovými iónmi a grafénom, to je to, čo robí grafén oveľa lepším kondenzátorom, váži menej a zároveň zvláda viac bez toho, aby mal väčší objem ako lítium ión.
OdpovedzteFred Stebbing – V komentári Weight Size máte svoj vozík pred koňom. Ak je grafénová batéria 1000 Wh/kg a Li-Ion iba 180 Wh/kg, potom grafénová batéria dokáže uložiť 5,5-krát viac energie na priestor, ktorý zaberá. Mohlo by teda mať rovnakú veľkosť ako Li-Ion a ukladať 5,5-krát viac energie. Alebo môžete zabrať rovnaký priestor a byť 2,5-krát ľahší. Takže auto, ktoré normálne váži 4 200 libier, by vážilo menej ako 3 500 libier a na jedno nabitie by prešlo 1 650 míľ. Nabitie na 92 % s nabíjačkou úrovne 3 by trvalo len asi 30 minút na 1 600 míľovú cestu! A náklady by boli nižšie aj pre vozidlo, takže pre spotrebiteľa je to výhra. Samozrejme, sociálno-ekonomický výsledok bude založený na chamtivosti korporácií, ktoré sú už nastavené na výrobu Li-Ion, ale náklady na tieto batérie tiež klesnú kvôli cenovej parite, ktorú si vynúti grafén batérie. Zistite, ktoré krajiny majú najväčšie ložiská grafitu (Čína, Brazília, India, Kanada...)
Odpovedzte
Som hlavný výskumný pracovník, vynálezca prelomu vo fyzike a technológii pohonu, veľké grafénové batérie pre nákladné autá a lietadlá by mohli poháňať môj prelomový pohonný systém?
OdpovedzteZnie to skvele…. ak by sa dali vyrábať špičkové batérie so zaťaženým výkonom v menších veľkostiach, mohlo by to zmeniť hru na skleníkový plyn.
Vozidlá a letectvo by mohli znížiť masívny uhlík z nášho krásneho prostredia……Odpovedzte-
Veľmi zaujímavé. Má grafénová batéria rovnaké bezpečnostné problémy so vzplanutím ako Li-Ion?
OdpovedztePredpokladal by som, že nie, ak je správne zostavený, má fantastické vlastnosti odvádzania tepla.
Odpovedzte
