Графеновые аккумуляторы для электромобилей
Новейшие аккумуляторы от австралийской компании GMG претендуют на революционный прорыв для электромобилей в 2024 году :: Автопортал Третий Рим
31 мая 2021
Инновационные алюминий-ион-графеновые аккумуляторы способны побить по скорости зарядки даже суперконденсаторы и не нуждаются в охлаждении и обогреве
Александр Климнов, фото производителя
Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) объявила о разработке новых алюминиево-ионных графеновых аккумуляторов. Разработчики утверждают, что их разработка превосходит существующие литий-ионные аккумуляторные элементы по многим параметрам и может быть запущена в производство в спецификации для электромобилей уже, начиная с 2024 году.
Кроме того, что новейшие аккумуляторы сверхбыстрые, они еще и сверхтонкие
Алюминиево-ионные графеновые элементы существенно дешевле (в перспективе – авт. ) существующих литий-ионных, не используют редкоземельных металлов (от слова вообще! – авт.), не склонны к воспламенению, выдерживают высокие токи (до 7 кВт (!) на килограмм против 0,25-0,7 кВт/кг у литий-ионных элементов и всего в два разу уступают ультраконденсаторам с их 12–14 кВт/кг) и сохраняют эффективность в широком диапазоне рабочих температур. Испытания прототипов аккумуляторов в формате «таблеток» еще и показало, что они в три раза долговечнее литиевых конкурентов? Выдерживая по 2000 циклов заряда-разряда без видимого ухудшения характеристик.
Впрочем, удельная энергоемкость таких элементов составляет пока лишь 150–160 Вт•ч/кг, что составляет лишь 60% от уже достигнутой емкости лучших на сегодня образцов литий-ионных аккумуляторов. Впрочем, ультраскоростная зарядка позволяющая, например, зарядить смартфон всего за 1–5 минут, будучи масштабированной на электромобиль позволит (при соответствующем развитии зарядной инфраструктуры, конечно – авт.), практически ликвидировать зависимость запаса хода BEV непосредственно от емкости его АКБ (и отправить на свалку истории технологию замены разряженных аккумуляторов на заряженные – авт. ).
Компания GMG планирует вывести на рынок алюминиево-ионные графеновые аккумуляторные батареи уже в конце нынешнего или в начале следующего года. Выпуск ячеек для комплектации батарей электромобилей запланирован на начало 2024 года.
В компании заявляют, что смогут адаптировать разработку под существующие форм-факторы и силовые параметры тяговых батарей электромобилей, так что их производителям даже не придется изменять конфигурацию уже разработанных BEV-платформ.
Аккумуляторы GMG созданы на основе передовой разработки Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета (UQ). В элементах батарей используются нанотехнологии, позволяющие «вставлять» атомы алюминия внутрь атомарных отверстий в графеновых плоскостях (которые сами толщиной в один атом графита – авт.).
Группа создателей алюминиево-ионных графеновых аккумуляторов из GMG. Крейг Никол на фото слева
Управляющий директор GMG Крейг Никол считает, что, хотя элементы его компании не единственные разрабатываемые алюминиево-ионные графеновые элементы, они, несомненно, являются самыми мощными, надежными и быстрозаряжающимися.
Так, элемент размером с монету заряжается быстрее 10 секунд. При этом новые аккумуляторные элементы обеспечивают гораздо большую удельную мощность, чем существующие литий-ионные аккумуляторы, не перегреваются и хорошо работают при отрицательных температурах.
В свою очередь это означает, что будущим аккумуляторным батареям электромобилей вообще не понадобятся контуры для охлаждения или обогрева, на которые в современных литий-ионных батареях, например, приходится около 80 кг для АКБ емкостью 100 кВт•ч.
Никол добавляет: «Это прямая замена (существующих литий-ионных батарей), которая заряжается быстро как суперконденсатор».
В результате, данный факт меняет само уравнение вычисления запаса хода электромобиля: если заменить литий-ионный аккумулятор емкостью 100 кВт·ч на АКБ того же веса от GMG, то такой аккумулятор сможет выдать только 60 кВт•ч. Но, если, исключить 80 кг ненужной системы охлаждения, то электромобиль с АКБ от GMG сможет взять дополнительными 80 кг аккумуляторов, что даст повышение общей емкости до 72,8 кВт·ч, а это в сочетании с кардинально более быстрой зарядкой, может в значительной степени положить конец беспокойству владельцев насчет запаса хода их машин.
На это есть такое соображение: суперчарджеры Tesla уже заряжают аккумуляторы током мощностью до 250 кВт, что соответствует передаче 60 кВт·ч электроэнергии примерно за 15 минут. Но, если вы хотите заряжаться в 10 раз быстрее, то вам нужно обеспечить возможность мгновенной передачи 2,5 МВт через зарядный кабель (из сверхпроводников его что ли делать? – авт.).
Графеновые технологии пока еще не вышли из лабораторий, но уже грозят перевернуть весь наш привычный мир
В GMG утверждают, что c началом промышленного производства новых элементов питания, они окажутся в несколько раз дешевле нынешних литий-ионных. Весь необходимый для выпуска алюминий можно добывать в Австралии и прочих странах, уйдя от монополии поставок лития из КНР, составляющих порядка 90%.
P.S. За 30 лет (т.е. начиная с 1991 года) себестоимость литий-ионных АКБ упала на 97%, что оказалось существенно быстрее, чем следовало из большинства прогнозов в 1990-х. Тем, не менее, претензии к литий-ионных электро-химическим системам существуют и даже множатся: это и резкий рост цен на сырье, и необходимость применения токсичных материалов (особенно кобальта, при добыче которого в Конго широко используется рабский детский труд!), и все еще высокая стоимость таких АКБ, к тому же требующих достаточно изощренных систем охлаждения при работе и разогрева (при низких температурах окружающей среды) на стоянках, а также несовершенные технологии утилизации и переработки старых батарей.
Новая австралийская разработка как бы претендует на решение всех этих задач разом, но… как правило, слишком хорошие изначальные характеристики не подтверждаются на более поздних этапах продвижения продукта. Кроме того, никуда не девается упомянутая выше проблема энергосетей, которым надо передавать мегаватты электроэнергии в считанные секунды – законы физики не обманешь… Ну и «уход от токсичных элементов» таков лишь на первый взгляд, просто вместо тяжелых металлов приходит нановолокно для которого пока что вообще не придумана технология переработки, а канцерогенный и общий загрязняющий экологию эффект от наночастиц уже подтверждается биологическими исследованиями. Ну и еще – просто умиление вызывает артикулирование австралийцами «избавления от лития из красного Китая» – так и слышится своего рода отзвук борьбы против «Северного потока – 2» на другой стороне земного шара, в смысле, не позволим всяким тоталитарным режимам держать за горло «свободный мир». Так, и хочется сказать: ну-ну…
В Крыму 4-6 июня пройдет пробег электромобилей по маршруту Ялта–Севастополь. Хотите участвовать? Регистрируйтесь!
Следите за новостями на портале www.rim3.ru
Особенности графеновых аккумуляторов для электромобилей
Ещё совсем недавно появление гибридных автомобилей, в которых сочеталось использование обычного двигателя внутреннего сгорания и электромотора, являлось чем-то невообразимым. Многие считали, что отказаться от ДВС невозможно, у них нет альтернативы.
Но сейчас электрокары стали привычным явлением. Такие машины встречаются повсеместно, а развитие технологий позволяет делать их всё более и более доступными.
Главной движущей силой в электромобиле является электрический двигатель. А питается он от специальных аккумуляторных батарей. Именно они являются тем самым компонентом, который производители стремятся улучшить и усовершенствовать. Главная задача заключается в том, чтобы аккумулятор мог дольше обеспечивать движение машины без остановки и дозарядки.
Пока ключевыми батареями выступают литиевые АКБ. Но у них может появиться серьёзных конкурент в виде графеновых аккумуляторов.
Что такое графен
Для начала нужно понять, какая основа, то есть база используется в случае с графеновыми АКБ.
Графеновые батареи, как и литиевые, являются тяговыми, а не стартерными, как на машинах с двигателями внутреннего сгорания.
Графен достаточно интересный и инновационный материал. Благодаря ему потенциально увеличится работоспособность питающих элементов электромобилей от нескольких сотен до тысячи проходимых километров без подзарядки.
Графен представляет собой кристалл углеводорода. Его атомы располагаются в единой плоскости. Толщина листа бесцветного материала равна толщине одного атома.
Графен отличается повышенными показателями энергоёмкости и прочности.
Массовому появлению графена человечество обязано двум специалистам. Это Гейм и Новосёлов. Именно они совместными усилиями получили этот материал искусственным путём. В качестве подложки использовался оксид кремния.
В итоге вещество можно охарактеризовать как углеродную плёнку. Её толщина составляет примерно одну миллионную от толщины листа бумаги.
В настоящее время целый ряд компаний и специалистов работают над тем, чтобы получить возможность в крупных объёмах создавать рассматриваемый высокотехнологичный материал. Если этого удастся добиться, это можно будет считать огромным шагом на пути к революции в мире электроники.
На основе графена потенциально можно создать аккумуляторные батареи, компьютерные мониторы, полупроводниковые устройства и многое другое.
Устройство АКБ на основе графена
Теперь стоит рассмотреть особенности устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, поскольку именно в этой сфере могут применяться такие источники питания.
Интересно, что принцип работы ничем не отличается от того, как работают обычные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Здесь также протекают аналогичные электрохимические процессы. Но, разумеется, реакции внутри АКБ совершенно иные.
Это к вопросу о том, как устроен потенциально перспективный графеновый аккумулятор.
Рассматриваемый тип батарей можно сравнить с литий-полимерными аккумуляторами, поскольку по устройству они во многом похожи. Уже существует несколько технологий, позволяющих создавать графен-полимерные источники питания:
- Одна из технологий предусматривает чередование пластин из графена и кремния, которые используются в качестве катода. При этом в роли анода применяют кобальтат лития.
- Другая технология подразумевает, что вместо кобальтата задействуют более финансово доступный оксид магния, а катод останется аналогичным. Если судить по стоимости, сочетание магния и графена при создании АКБ обойдётся значительно дешевле, если сравнивать с аналогичным вариантом с использованием лития.
Магний-графеновые АКБ вызывают повышенный интерес у автопроизводителей. Ведь потенциально при установке таких батарей на электрокар можно увеличить проходимую дистанцию автомобиля до 1000 километров без остановок на дозарядку. При этом полная зарядка будет занимать около 10 минут. Правда, для работы с графеновыми АКБ потребуются специальные зарядные устройства, которыми планируется оснастить АЗС.
Многие эксперты уверены, что именно за счёт повышения автономного пробега удастся привлечь повышенное внимание к электрическим машинам и наконец-то запустить плавный переход от ДВС к электромоторам.
Чтобы создать графеновые АКБ, применяют литий. Но это не самый распространённый и часто встречающийся природный материал. Его запасов объективно недостаточно для того, чтобы покрыть спрос со стороны автопроизводителей. Потому инженеры активно работают над созданием устройств, способных обеспечить замену лития на магний.
Какие именно характеристики смогут на практике обеспечить графеновые аккумуляторы при оснащении электромобилей, пока спрогнозировать сложно. Но специалисты не сомневаются, что будущее за графеном.
Принцип работы
Далее немного о том, как работает и на чём основывается графеновый аккумулятор.
В действительности принцип работы рассматриваемого графенового источника питания практически не отличается от классического свинцово-кислотного аккумулятора. Разница лишь в электрохимических процессах, протекающих внутри корпуса. Здесь их можно сравнить с литий-полимерными АКБ.
Чтобы лучше понять принцип работы разрабатываемого графенового аккумулятора, стоит выделить 2 основные технологии.
- Американская технология. Здесь в качестве источников возникающей реакции, обеспечивающий формирование заряда, используют кобальтат лития и пластины кремния и графена, которые чередуются друг с другом.
- Российская технология. Это аналог в виде магний-графеновой АКБ. Здесь вместо литиевой соли применяют оксид магния.
Преимущество российской разработки в том, что оксид магния доступнее лития и при этом является менее токсичным компонентом.
![]()
Графен отличается высокими показателями электропроницаемости и имеет склонность к накапливанию электрических зарядов. Эти особенности позволяют за счёт графена добиться увеличения скорости движения ионов, и тем самым повышается потенциальная ёмкость источника питания.
Изначально, когда технологию только начали разрабатывать, к листам графена добавляли литий. Но происходила бурная реакция при контакте с водой, и возникали окислительные процессы, из-за чего реализовать схему не удалось.
Когда литий контактирует с водой вне герметичного корпуса, это провоцирует сильнейший взрыв. Подобные АКБ ставить на машине очень опасно, поскольку в случае повреждения аккумулятор может выступить в роли причины возгорания.
Также литий-графеновые АКБ, как показали испытания, нуждаются в продолжительной зарядке. А это для электрокаров точно не подходит.
Всё это привело к тому, что разработчики переключились на магний-графеновые модификации.
Сильные и слабые стороны
Нелишним будет взглянуть на плюсы и минусы, характеризующие графеновые аккумуляторы и их перспективы развития.
Сильных сторон достаточно много. Среди них можно выделить такие:
- исходный материал доступный и распространённый;
- графен выпускают в больших объёмах;
- метод получения материала достаточно простой и легко реализуемый;
- незначительный вес, при котором 1 м² материала весит около 1 грамма;
- экологичность и безопасность для окружающей среды;
- высокая прочность;
- водонепроницаемость;
- способность быстро восстанавливать повреждённые участки;
- показатели проводимости выше любого современного полупроводника;
- высокие показатели удельной ёмкости;
- возможность потенциально проехать более 1000 км без подзарядки;
- долговечное вещество;
- независимость от циклов заряд–разряд;
- высокая скорость зарядки.
Проблема в плотности. Она не позволяет создать достаточно компактные рабочие образцы. Потому серийных вариантов небольших АКБ на основе графена до сих пор не существует. Но это, скорее, касается перспектив использования в мобильных девайсах.
Для машин крупные размеры – не проблема. Потому тут стоит говорить о неплохих перспективах на будущее.
Учитывая то, что плюсы заметно превосходят минусы, стоит ожидать дальнейшего развития таких АКБ и стремительного внедрения графенового аккумулятора в электромобили.
Текущая разработка графеновых АКБ
Многие ожидают, что уже совсем скоро электрический автомобиль, то есть электромобиль, сможет без проблем преодолевать дистанцию в более чем 800–1000 километров, не требуя при этом остановки на подзарядку.
Сейчас запущено производство графена в солидных промышленных масштабах. Основным действующим лицом выступает компания Graphenano, которая базируется в Испании. Причём испанские инженеры уже опробовали АКБ на основе графена, цена которой на 70% ниже в сравнении с аналогами других компаний. Путём тестирования было доказано, что на ней электрокар способен проехать до 1000 км. А на полную зарядку уходит всего 7 минут.
При этом вес графеновой АКБ меньше литий-ионного источника питания со схожими характеристиками.
Ещё в 2015 году испанская компания организовала крупное предприятие, основной задачей которого было изготовление таких АКБ. На имеющихся мощностях удаётся создавать примерно по 80 миллионов рабочих ячеек за год работы. Официальная презентация новинки в виде графеновых АКБ была запланирована ещё на 2017 год. Но пока никто так и не увидел результата работ испанских специалистов.
В США также ведутся активные работы в этом направлении. Здесь стоит выделить компанию Real Graphene, которая недавно презентовала первую графеновую АКБ для мобильных гаджетов.
В Австралии ведущими разработчиками графеновой технологии выступают специалисты университета Monash. Они работали над вопросом стабильности АКБ, поскольку графен постоянно стремится вернуться в своё исходное состояние, то есть превратиться в графит.
Эту проблему решили за счёт превращения пластин графена в гель.
Это позволило избавиться от слипания пластин, плюс вещество находится в постоянном стабильном состоянии. Эта разработка открывает перспективы для использования гелеобразного графена в других отраслях. При этом для создания гелевого раствора не требуется затрачивать большие деньги и ресурсы.
Перспективы развития
Пока ещё рано говорить о глобальном и полномасштабном внедрении графеновых аккумуляторов и батарей.
Но если этого удастся достичь, тогда перед графеном откроются великолепные перспективы. Эти источники питания могут применяться для:
- электрокаров;
- электрозаправок;
- электростанций;
- ветряных станций;
- солнечных батарей и пр.
Это также и улучшение экологической ситуации, которую создают машины с двигателями внутреннего сгорания.
Графен является одним из тех материалов, который в буквальном смысле может перевернуть современные представления о мире и электрокарах в частности. Это крайне перспективное направление. Потому совсем скоро стоит ожидать поступления графеновых АКБ в продажу. Первые модели для мобильных девайсов уже есть на рынке. При этом стоят они 100–120 долларов.
Как далеко мы находимся? – Top Charger
- Графеновые литий-ионные аккумуляторы для электромобилей появятся через 1-2 года
- Твердотельные аккумуляторы появятся через 4-8 лет
- Графеновые суперконденсаторы появятся через 5-10 лет
- Графеновые алюминий-ионные выглядят очень перспективно
- Существует несколько конкурирующих технологий
- Самым большим препятствием для всех аккумуляторных технологий является стоимость
Доктор Митио Каку, физик-теоретик и один из основателей струнной теории поля, считает, что графен изменит наш образ жизни. В своей книге Будущее человечества , он красноречиво иллюстрирует свойства графена:
«Графен — одно из самых прочных веществ, известных науке, прочнее алмаза. Вы можете взять слона, уравновесить его на карандаше и положить карандаш на графен, и графен не сломается».
Действительно, когда люди обсуждают графен, они любят говорить о его чудесных механических характеристиках; как он примерно в 200 раз прочнее стали, но в 1000 раз легче бумаги.
Невероятно, но графен почти невидим, поглощая всего 2,3% света.
Великолепные свойства графена звучат слишком хорошо, чтобы быть правдой. Мы привыкли к холоду металла, прозрачности стекла. Слияние этих двух вещей звучит абсурдно. И вот мы с графеном, следующим чудо-материалом.
В этой статье рассматриваются графеновые аккумуляторы для электромобилей и более широкое будущее аккумуляторов в электромобилях с подробным описанием наиболее жизнеспособных технологий на сегодняшний день.
Графеновые аккумуляторы для электромобилей содержание руководства
Последние разработки
- 22 февраля 2022 г .: Zentek объявляет о запатентованном кремниевом аноде с графеновой оболочкой, потенциально решая проблему расширения кремния в качестве анодного материала.
- 1 февраля 2022 года: Британская компания Sprint Power работает над технологией, которая обеспечит 80-процентную зарядку всего за 12 минут.
- , 20 января 2022 г .: First Graphene закрепляет финансирование для суперконденсаторов с ячейками-мешочками с использованием уникального гибридно-графенового материала First Graphene .
- 13 января 2022 г.: Ученые из Мичиганского университета создали литий-серную батарею на 1000 циклов, которая может в пять раз увеличить запас хода электромобиля.
- 8 января 2022 г .: Стартап Nanotech Energy из Лос-Анджелеса представляет литий-ионный аккумулятор на основе графена, который является пожаробезопасным и коммерчески жизнеспособным.
- 222 декабря 2021 г .: GMG Graphene отправляет графеновые алюминий-ионные батареи клиентам для тестирования.
- 13 декабря 2021 г .: VW сотрудничает с 24M Technologies в области технологии аккумуляторов SemiSolid, придерживаясь технологии твердотельных аккумуляторов.
- , 6 декабря 2021 г .
: Factorial Energy, базирующаяся в Вобурне, штат Массачусетс, подписывает контракты с Mercedes, Kia и Hyundai на поставку своей твердотельной батареи FEST.
- 02 декабря 2021 г.: Bosch объявляет о серийном производстве чипов из карбида кремния, обеспечивающих более высокую скорость зарядки электромобилей.
- 29 ноября 2021 г .: Nissan объявляет о выпуске твердотельных аккумуляторов к 2028 г. с использованием запатентованной технологии, не содержащей кобальта. Аккумуляторы ASSB сократят время зарядки на треть и прослужат дольше.
- 29 ноября2021: Alpine 4 приобретает ElecJet из-за технологии графеновых аккумуляторов и патентов. Графеновая литиевая батарея ElecJet улучшит аккумуляторные батареи, используемые в настоящее время производителями электромобилей.
- 21 ноября 2021 г .: NanoMalaysia и UMORIE Graphene объявляют о выпуске полноэлементной литий-ионной батареи с добавлением графена для скутеров и небольших электромобилей.
- 17 ноября 2021 г.: Allied Market Research публикует отчет под названием «Рынок графеновых аккумуляторов» и прогнозирует, что рынок графена будет расти с поразительной скоростью.
- , 16 ноября 2021 г.: Quantumscale досрочно достигает цели разработки твердотельных аккумуляторов, успешно выполнив тесты производительности 10-слойных ячеек.
- 1 ноября 2021 г .: Lyten разрабатывает литий-серную батарею с улучшенным графеном для электромобилей. Он не содержит кислорода из оксидов металлов, кобальта или никеля.
- 4 октября 2021 г .: Yadea запускает технологию графеновых аккумуляторов для двухколесных электромобилей. Он имеет саморегулирующуюся эффективность без снижения дальности действия зимой.
- 11 августа 2021 г.: Graphene Manufacturing Group (GMG) представляет свою последнюю инновацию — графеновый алюминий-ионный аккумулятор, который заряжается на 60% быстрее, чем лучшие литий-ионные аккумуляторы.
- 29 июля 2021 г .: Китайская компания CATL объявляет о выпуске своей первой натрий-ионной батареи в качестве прорыва в области литиевых альтернатив. Он имеет плотность энергии 160 Втч/кг и требует 15 минут для достижения 80% заряда без лития.
Что такое графен?
Графен представляет собой двухмерную структуру графита, представляющую собой единый плоский слой атомов углерода, образующих поддерживающую сотовую решетку.
Как графен может быть двумерным? Поскольку он толщиной всего в один атом, у него всего два измерения — длина и ширина. При одном атоме высота графена считается равной нулю. Он настолько мал, что чтобы его увидеть, нужно увеличение в 60 000 раз!
Неудивительно, что графен — самый тонкий материал, известный человеку.
Вот изображение графена под микроскопом:
Источник.Как производится графен?
Существует несколько способов получения графена. Наиболее последовательным методом является плазменное химическое осаждение из паровой фазы (PE-CVD).
PE-CVD нагревает специальную смесь газов (включая углерод) в плазму в вакууме. Плазма создает слой графена на пластине из никеля или меди. Затем графен извлекается из пластины.
Вот схема процесса производства графена:
Источник.PE-CVD имеет несколько преимуществ, включая рост без катализатора и без переноса, а также более низкие рабочие температуры подложки.
Еще одним методом является химическое осаждение из паровой фазы (CVD). CVD — это более простой и дешевый метод производства с очень низким коэффициентом диффузии. Этот метод включает в себя специальную смесь газов, смешанных с реагентом. Графен растет на поверхности никеля или меди, а затем отделяется от металла.
Графен — новая эра аккумуляторов для электромобилей?
Еще одним удивительным свойством графена является его высокая электропроводность. Проще говоря, это увеличивает плотность электродов и ускоряет химическую реакцию внутри батареи, обеспечивая более высокую скорость зарядки и большую передачу энергии с меньшим выделением тепла.
Исследования графена показали, что он разлагается меньше, чем литий, при этом повышая производительность, потенциально увеличивая срок службы батарей электромобилей в десять раз.
Графеновые батареи уже существуют. Google «turnigy graphene» — эти маленькие батареи заряжаются примерно за минуту на 1300 мАч!
Работа графеновых аккумуляторов аналогична литий-ионным аккумуляторам: аккумуляторные элементы состоят из двух проводящих пластин, покрытых пористым материалом, погруженным в раствор электролита, при этом раствор электролита способствует переносу ионов. Когда через них проходит ток, происходит химическая реакция, которая заряжает ионы.
Типы и технологии графеновых аккумуляторов
Графен имеет несколько конкурирующих применений в технологии аккумуляторов. Давайте взглянем на наиболее многообещающие на данный момент:
Графеновая литий-ионная батарея
Для электромобилей самой простой и жизнеспособной графеновой батареей на сегодняшний день является усовершенствованная графен-литий-ионная батарея.
В графен-литий-ионном аккумуляторе графен вводится в катод, улучшая производительность и стабильность аккумулятора, создавая более быстрый и эффективный аккумулятор.
Многочисленные исследовательские работы подтвердили преимущества графена в катодных материалах, поэтому это логический следующий шаг в развитии аккумуляторов для электромобилей. До этой технологии всего 1-2 года, но она требует инвестиций в производство графена.
Недавно компания NanoMalaysia (NMB) изготовила полноценный литий-ионный аккумулятор, усиленный графеном. Аккумулятор на основе графена — это рабочий прототип, обеспечивающий высокую скорость зарядки с высокой плотностью энергии, идеально подходящий для электрических скутеров и электромобилей.
Сложность является большим препятствием для широкого производства. Производство графеновых аккумуляторов для электромобилей в промышленных масштабах с требуемым качеством сложно и дорого.
Графеновый алюминий-ионный аккумулятор
Графеновый алюминий-ионный аккумулятор может стать будущим аккумулятора электромобиля. В 60 раз быстрее, чем литий-ионные элементы, алюминиево-графеновые элементы заряжаются за считанные минуты и могут удерживать в три раза больше энергии, чем элементы из чистого алюминия.
Например, графеновые алюминий-ионные элементы заряжают батарейку типа «таблетка» за 10 секунд, а батарейку АА — менее чем за минуту.
GMG Graphene
Батарея произведена Graphene Manufacturing Group (GMG) и прошла экспертную оценку, в ходе которой было установлено, что она «превосходит все ранее заявленные катодные материалы AIB». Однако самая невероятная особенность — отсутствие необходимости в охлаждении или обогреве. «Он не перегревается и прекрасно работает при отрицательных температурах во время тестирования», — говорит управляющий директор GMG Крейг Никол.
Никол также считает, что технология может быть применена к электромобилям сегодня с небольшими инженерными разработками. Аккумуляторы имеют ту же форму и напряжение, что и литий-ионные элементы, поэтому они могут стать настоящим обновлением «подключи и работай».
Связанный: Как выбрать домашнее зарядное устройство для электромобиля
GMG Graphene разработала алюминий-ионный аккумулятор, который заряжается быстрее, чем лучшие литий-ионные элементы, включая графеновые литий-ионные.
Коммерческая жизнеспособность алюминий-ионных аккумуляторов огромна, поскольку они имеют то же напряжение и форму, что и литий-ионные аккумуляторы. GMG Graphene намерена в будущем создать сменную батарею для электромобилей, в которой будет использоваться «гроссмейстерская электроника» для увеличения темпов внедрения.
Графеновые натрий-ионные батареи
Графеновые натрий-ионные батареи — еще одна потенциальная батарея будущего для электромобилей, поскольку они могут иметь такую же емкость, что и литий-ионные батареи, но при этом заряжаются быстрее и снижают зависимость от лития. Натриевая соль, материал электролита, дешевле лития и более распространена.
Добавление графена в аккумулятор обеспечивает еще более высокую скорость зарядки, чем стандартные натрий-ионные аккумуляторы, которые уже быстрее литий-ионных.
Изготовление натрий-ионных аккумуляторов
Чтобы сделать графеновые натрий-ионные аккумуляторы, исследователи прикрепляют к графену одну серию молекул бензола, чтобы увеличить расстояние между слоями графена и обеспечить проникновение ионов натрия. Обычно графен слишком плотно упакован для проникновения ионов натрия.
Кроме того, бензольный слой создает дефекты на поверхности графена, помогая ионам проникать через нее. Результат впечатляющий: в то время как графен будет удерживать около 35 миллиампер-часов на грамм, новый графен удерживает более 330 мАч/г.
В июле китайский производитель аккумуляторов CATL объявил о выпуске своей первой натрий-ионной батареи. Он будет иметь плотность энергии 160 Втч/кг, и ему потребуется 15 минут, чтобы достичь 80% заряда. Это примерно вдвое меньше времени, которое требуется литий-ионному аккумулятору для достижения того же уровня.
Поскольку натрий широко распространен и дешев, он имеет высокую коммерческую жизнеспособность в качестве будущей аккумуляторной технологии в секторе электромобилей. Он может помочь компенсировать затраты на производство графена, хотя производство графена в течение некоторого времени будет оставаться дорогим.
Свинцово-кислотные аккумуляторы с графеном Это также лучшая технология для низковольтных электрических систем.
По данным Tianneng battery Group, их аккумуляторная батарея Deep Cycle Black Gold серии TNEH имеет на 20% более длительный срок службы и на 5% более высокую емкость по сравнению со стандартными свинцово-кислотными батареями. Он выглядит очень многообещающе в качестве альтернативы свинцово-кислотным и литий-ионным аккумуляторам 12 В, а также для других применений низковольтных аккумуляторов.
Суперконденсаторы
Еще одна потенциальная силовая установка следующего поколения для электромобилей — графеновый суперконденсатор, который может заряжаться и разряжаться за считанные секунды. В 2019 году Tesla купила Maxwell Technologies, компанию, занимающую передовые позиции в области суперконденсаторов. Это вызвало огромный резонанс в мире электромобилей.
Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор — это устройство для хранения энергии, которое накапливает энергию внутри ячеек электростатически, а не химически, как в случае с литий-ионом. Это означает, что он может иметь более высокую емкость хранения энергии, чем обычная батарея.
Суперконденсаторы имеют недостатки
Однако у суперконденсаторов есть существенный недостаток — они недолго остаются заряженными. Это делает их непригодными для использования в качестве аккумуляторов электромобилей. При этом они отлично справляются с приемом и передачей внезапных скачков энергии, поэтому суперконденсаторы подходят для подачи энергии на электродвигатель.
Суперконденсаторы — это лучшие системы подачи энергии, которые у нас есть, а графен — лучший материал для покрытия металлических пластин, поскольку он имеет огромную площадь поверхности и превосходит по прочности сталь, композиты и другие проводники.
Преимущества суперконденсаторов включают в себя:
- высокая плотность мощности
- Широкий диапазон рабочих температур
Недостатки суперкапациторов включают в себя:
- Низкая плотность энергии
- .
Потенциал (£/кВтч)
66. будущих источников энергии для электромобилей, потому что они обеспечивают быстрые всплески энергии и перезаряжаются за считанные секунды. Суперконденсатор может быть соединен с графеновой батареей, чтобы повысить эффективность трансмиссии.
Твердотельные батареи
Твердотельные батареи используют электролит, изготовленный из твердого материала, вместо более распространенного жидкого электролита.
Термины «твердотельная батарея» и «графеновая батарея» часто используются взаимозаменяемо, но твердотельные графеновые батареи (преимущественно графеновые) имеют полутвердый металлический материал, соединенный с графеном, создавая гибрид, жидкий материал, или электроды из графен-углеродных нанотрубок.
Степень, в которой графеновые аккумуляторы для электромобилей являются твердотельными, зависит от подхода к проектированию и дизайну.
Например, твердотельная батарея Factorial Energy имеет твердый электролит и электроды высокого напряжения и большой емкости.
Твердотельные батареи имеют потенциал
В электромобилях твердотельные батареи были несбыточной мечтой в течение многих лет. Однако вскоре они могут быть у нас. Компания QuantumScape, поддерживаемая VW, находится на переднем крае отрасли. Они разрабатывают твердотельную литий-ионную батарею, которая обещает революционизировать аккумуляторы для электромобилей.
Технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape имеет несколько преимуществ по сравнению с литий-ионными аккумуляторами:
- Большая плотность энергии (большая емкость)
- Большая плотность мощности (более быстрая зарядка)
- Более длительный срок службы (10-20 лет)
- Безопасность (негорючий сепаратор разделяет анод и катод)
Компания QuantsumSpace недавно опубликовала данные испытаний своей 10-слойной батареи, достигнув поставленных целей. 10-слойная ячейка способна выдержать не менее 800 циклов с сохранением энергии более 80% и глубиной разряда 100%.
Литий-металлические твердотельные батареи
Несмотря на все обещания графена, технология еще не совсем готова. Однако, возможно, следующим этапом в технологии батарей для электромобилей будет вовсе не графен, а литий-металлический твердотельный аккумулятор, подобный тому, который был разработан гарвардскими исследователями.
Исследователи из Гарварда разработали твердотельную батарею, которую можно заряжать и разряжать не менее 10 000 раз без ухудшения характеристик.
«Наше исследование показывает, что твердотельная батарея может принципиально отличаться от коммерческой литий-ионной батареи с жидким электролитом», — сказал Синь Ли, доцент кафедры материаловедения Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона. «Изучая их фундаментальную термодинамику, мы можем раскрыть превосходную производительность и использовать их богатые возможности».
Вы можете прочитать исследовательскую работу о природе.
Преимущество литий-металлических твердотельных батарей в том, что теоретически они могут использоваться сегодня в электромобилях с очень небольшими модификациями. Он может продлить срок службы батарей электромобилей на 10 или 15 лет, что сопоставимо с бензиновым автомобилем.
Полностью графеновая батарея
Полностью графеновая батарея — это теоретическая концепция, которая может преодолеть разрыв между суперконденсаторами (высокая плотность мощности, низкая плотность энергии) и литиевыми твердотельными батареями с помощью более простой и элегантной технологии.
Полностью графеновая батарея была предложена в исследовательской статье 2014 года, опубликованной Хэгемом Кимом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Джихён Хонг из Корейского института науки и технологий.
Их концепция батареи имеет плотность энергии, сравнимую с литий-ионными батареями, и производительность суперконденсаторов, сочетая в себе лучшее из обоих миров.
Какая технология графеновых аккумуляторов наиболее перспективна?
Графен, ион алюминия и графен-натрий-ион являются наиболее многообещающими преемниками литий-иона. Алюминия и натрия гораздо больше, чем лития, и их гораздо легче и дешевле перерабатывать.
Каковы недостатки графеновых аккумуляторов для электромобилей?
Если графен такой чудесный, почему он не везде? Есть три препятствия:
- Графен не везде, потому что он чрезвычайно труден и чрезвычайно дорог в производстве. На самом деле себестоимость производства грамма составляет 60-100 фунтов стерлингов, что делает его дороже золота за грамм!
- Производственный процесс недостаточно отлажен для массового производства — на массовое производство графеновых аккумуляторов для электромобилей может уйти десятилетие.
- Графен нельзя отключить, потому что у него нет запрещенной зоны. Это означает, что нет места, где не могли бы существовать электроны, поэтому его трудно использовать в транзисторах. Однако эту инженерную проблему можно решить с помощью искусственной запрещенной зоны.
10 ведущих производителей аккумуляторов для электромобилей
Теперь мы знаем о будущем аккумуляторов для электромобилей. Кто будет их производить?
В отрасли производства аккумуляторов для электромобилей доминируют десять крупных игроков, и трое крупнейших компаний контролируют более 65% отрасли. The top 10 battery EV makers are as follows (source: IEEE):
| Maker | Market share |
| Contemporary Amperex Technology Co | 26% |
| LG Energy Solution | 26% |
| Panasonic | 17% |
| Samsung SDI | 7% |
| BYD Co. | 7% |
| SK Innovation | 4% |
| China Aviation Lithium Battery | 3% |
| Gotion High-Tech | 2% |
| Ruipu Energy Co. | 1% |
Итог: Китайцы, японцы и корейцы контролируют рынок аккумуляторов!
Однако на рынке литий-ионных аккумуляторов доминируют перечисленные выше производители. Рынок графена — это совсем другое дело!
Ведущие производители графена
Графен производится в виде углеродных нанотрубок (скрученный графен) или в виде порошка. В этих двух секторах доминируют разные игроки:
Графеновые нанотрубки
Крупнейшим в мире производителем графеновых нанотрубок является OCSiAl, на долю которого приходится 97% мировых производственных мощностей. OCSiAl производит одностенные углеродные нанотрубки для коммерческих и исследовательских целей с использованием запатентованной технологии массового производства.
Графеновый порошок
Канадская корпорация NanoXplore — крупнейший в мире производитель графенового порошка для использования на промышленных рынках и в исследованиях, на долю которого приходится 70% мировых производственных мощностей. Вторым по величине производителем является австралийская компания Talga Resource
Делает ли Tesla графеновую батарею для электромобилей?
Точно так же, как Apple создала рынок смартфонов с помощью iPhone, Tesla установила стандарты дизайна и производства электромобилей в начале 2010-х годов. Сегодня Tesla является самым известным брендом электромобилей в мире, и они также вкладывают значительные средства в аккумуляторные технологии.
В ноябре 2021 года Tesla приобрела компанию по производству аккумуляторов SiILion с анодной технологией SilLion, которая найдет применение в моделях Tesla дальнего действия. В технологии используются аноды из чистого кремния и высоковольтные катоды, уникальное сочетание в отрасли.
В 2019 году Tesla также приобрела Maxwell Technologies Inc, производителя решений для хранения и доставки энергии. Однако они продали компанию в июле 2021 года после хищения (и сохранения) технологии сухих элементов.
Вот что Илон Маск сказал об этом в Твиттере.
Возможны ли графеновые аккумуляторы для электромобилей?
Как мы видели в этой статье, графеновые батареи возможны как в небольших, так и в крупных приложениях, таких как электромобили. Однако они еще не поступили в продажу, и существует множество направлений исследований.
Алюминий + графен и натрий + графен являются возможными заменителями литий-иона в будущем. Большим преимуществом обоих является обилие основных материалов (алюминий, натрий) и возможность их вторичной переработки.
Каково будущее аккумулятора электромобиля?
Будущее аккумуляторов электромобилей — это графен, обладающий самой высокой электропроводностью среди всех известных материалов. Графен можно применять в различных аккумуляторных технологиях, включая литиевые, натриевые и алюминиевые батареи.
Хотя будущее аккумуляторов для электромобилей связано не только с графеном, он остается самой многообещающей технологией будущего, несмотря на свои недостатки.
Мы думаем, что благодаря исследованиям, грамотному проектированию и значительным инвестициям графеновые аккумуляторы для электромобилей в конечном итоге вытеснят литий-ионные. Однако то, какую форму принимают эти батареи, пока неясно — они могут быть на основе лития, натрия, твердотельные или что-то еще. В любом случае, будущее за графеном в той или иной форме.
Как вы думаете, какое будущее у аккумуляторов для электромобилей? Присоединяйтесь к обсуждению, оставив комментарий ниже.
Как графеновые батареи изменят электромобили — Chargeasap
Vinson Leow on
Наиболее распространенным типом аккумуляторов для электромобилей являются литий-ионные аккумуляторы, но у них есть свои недостатки. К счастью, графеновые батареи были обнаружены. Вот краткий обзор того, как графеновые батареи изменят электромобили.
Электромобили становятся все более популярными, поскольку люди становятся более сознательными в отношении окружающей среды и стремятся уменьшить свою зависимость от ископаемого топлива. Однако современные технологии для электромобилей имеют некоторые недостатки. Наиболее распространенным типом аккумуляторов для электромобилей являются литий-ионные аккумуляторы. Эти батареи дороги, имеют ограниченный срок службы и могут быть опасны при неправильном обращении. К счастью, графеновые батареи способны преодолеть эти недостатки. Если вы хотите узнать больше о графеновых батареях, то у нас есть то, что вам нужно. Вот краткий обзор того, как графеновые батареи изменят электромобили.
Что такое графен?
Графен представляет собой двумерный (2D) материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Это самый тонкий материал в мире и примерно в 100 раз прочнее стали. Он также очень гибкий и его можно согнуть, не сломав.
Графен был впервые выделен в 2004 году группой ученых из Манчестерского университета. Они использовали обычный карандаш, чтобы создать лист графена, проведя линию на куске графита (разновидность углерода).
Графен имеет множество потенциальных применений, в том числе:
- Транзисторы
- Датчики
- Солнечные элементы
- Освещение
- Батареи
- Топливные элементы
- Метки безопасности
- Аэрогели
Что такое графеновые батареи?
Графеновые аккумуляторы — это аккумуляторы, в которых в качестве материала анода используется графен. Графен — очень тонкий, прочный и легкий материал, состоящий из одного слоя атомов углерода.
имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными батареями. Они легче, тоньше и прочнее традиционных батарей. Они также имеют более высокую емкость и могут заряжаться быстрее, чем традиционные батареи.
Каковы преимущества графеновых аккумуляторов для электромобилей?
В последние годы количество электромобилей растет, поскольку люди становятся более сознательными в отношении окружающей среды, а правительства стремятся использовать более чистые источники энергии. Однако одной из основных проблем электромобилей является время их автономной работы. В электромобилях обычно используются литий-ионные батареи, срок службы которых ограничен, а их замена может быть дорогостоящей.
Батареи Graphene, которые состоят из элементов, обернутых графеном, могут стать потенциальным решением этой проблемы. Графеновые батареи более долговечны и имеют более длительный срок службы, чем литий-ионные батареи. Они также дешевле и проще в производстве.
Graphene также могут помочь электромобилям конкурировать с традиционными автомобилями с бензиновым двигателем. Графеновые батареи более эффективны, чем литий-ионные, и их можно заряжать быстрее. Они также имеют более высокую удельную мощность, что означает, что они могут хранить больше энергии, чем традиционные батареи.
Графеновые батареи могут произвести революцию в индустрии электромобилей. Они более долговечны и эффективны, чем традиционные батареи, и могут помочь электромобилям конкурировать с автомобилями с бензиновым двигателем.
Заключение
Мы надеемся, что эта статья окажется полезной и поможет вам лучше понять, как графеновые батареи могут преобразовать электромобили. Как видите, графеновые батареи могут произвести революцию в электромобилях. Они легче, эффективнее и имеют более длительный срок службы, чем традиционные батареи. Это означает, что электромобили вскоре могут стать более жизнеспособным вариантом для потребителей, с большей дальностью полета и более быстрой зарядкой.
