С увеличением значимости возобновляемых источников энергии, ее накопление становится одной из главных тем, интересующих исследователей и ученых. Поскольку производство энергии из возобновляемых источников, основанных на солнце, ветре и гидроэнергетике, не всегда может удовлетворить в полной мере потребности пользователей, поиск высокотехнологичного способа хранения энергии обладает исключительной важностью. [1]
С появлением электромобилей многие компании разрабатывают новые способы создания недорогих, энергоемких и надежных аккумуляторных технологий. Идеальная система хранения обладает высокой плотностью энергии и высокой удельной мощностью. Литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня широко используются в электронике, имеют очень высокую плотность энергии, но не подходят для крупномасштабных применений. [2]
С начала 2000-х годов графен стал материалом, которому посвятили множество исследований из-за его широких возможностей применения в качестве аккумуляторных батарей будущего. Его уникальная кристаллическая структура представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Кристаллическая структура графена. Источник: Wikimedia Commons. CC BY-SA
Материалы на основе графена обладают множеством положительных свойств. Во-первых, большая площадь поверхности до 2600 м²/г и высокая пористость графена делают его идеальным поглотителем газа и средством накопления электростатического заряда. [3] Во-вторых, он чрезвычайно легкий и прочный, что говорит о его преимуществах при транспортировке. В-третьих, это мощный проводник электрической и тепловой энергии, что делает его отличным материалом для ее хранения. [2]
Батареи на основе графена имеют множество применений. Одно из них - аккумуляторные батареи, так как графен обладает высокой энергоемкостью и скоростью зарядки. Другое применение, это суперконденсаторы, потому что графен имеет высокую проводимость, электрохимически стабилен, обладает открытой пористостью и большой площадью поверхности, чем, например, активированный уголь, материал, который сегодня используется в суперконденсаторах. [3]
Поскольку графен чрезвычайно тонкий и легкий, его можно превратить в материал, похожий на бумагу, и использовать для создания гибких или складных батарей. Графен из-за его высокой проводимости может также быть использован для изготовления солнечных панелей. [3]
Несмотря на множество обнадеживающих свойств, самым большим ограничением для батарей на основе графена является то, что в настоящее время нет технологий массового производства высококачественных батарей с его использованием. Стоимость их производства колеблется от десятков до тысяч долларов за килограмм, что значительно выше стоимости батарей с использованием активированного угля с показателем в 15 долларов за килограмм. [4]
Кроме того, толщина материалов на основе графена обычно ограничена микрометрами, что значительно снижает общую емкость батареи.
При всех замечательных свойствах графена необходимо проведение дальнейших исследований чтобы достичь практической возможности применения этого материала. Как упомянуто выше, разработка методов массового его производства остается первоочередной задачей исследований, если графен когда-либо можно будет рассматривать в качестве средства накопления энергии для коммерческого использования.
В ближайшей перспективе композитные материалы, вероятно, остаются наиболее практичным вариантом применения графена. [3] Включение небольшого его количества в состав полимеров может привести к получению прочных и легких материалов, которые хорошо проводят электричество.
Источник:
Allen Yu. «Графеновая батарея для накопления энергии»
Ссылки:
[1] K.C. Divya и J. Ostergaard, «Технология накопления энергии аккумуляторов для энергосистем - обзор», Electr. Pow. Syst. Res. 70, 511 (2009).
[2] H. Kim и соавт., «Всё о графеновой батарее: преодоление разрыва между суперконденсаторами и ионно-литиевыми батареями», Sci. Rep. 4, 5278 (2014).
[3] U. K, Sur, «Графен: восходящая звезда на горизонте материаловедения», Int. J. Electrochem. 2012, 237698 (2012).
[4] D. Lamuel и соавт., «Стекло-графеновый кремниевый композитный бумажный электрод для оксикарбида кремния и длинноцикличных литий-ионных аккумуляторов», Nat. Commun. 7, 10998 (2016).
Написать комментарий