Grafenové baterie: Co znamenají pro moderní chytré telefony
Materiály pro baterie vyvinuté Národní laboratoří Pacifického severozápadu (PNNL) Ministerstva energetiky a společností Vorbeck Materials Corp. z Jessupu v Marylandu by mohly pomoci s dobíjením elektrického nářadí a dalších zařízení, která používají lithium-iontové baterie.za pár minut spíše než hodinky. Technologie grafenových baterií navíc slibuje zvýšení kapacity použitím křemíkových anod místo uhlíkových v nových lithium-iontových bateriích.
Někteří výrobci, jako například Positec (který vyrábí Worx, Rockwell a Kress), již používají technologii grafenových baterií v některých přenosných elektrických nástrojích.
Grafen existuje jako jedna vrstva atomů uhlíku. Tyto atomy jsou uspořádány v organizovaném hexagonálním vzoru. Grafen je téměř „dvourozměrný“ materiál s některými jedinečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, které mu dávají řadu výhod. Patří mezi ně vysoká elektrická vodivost, vynikající mechanická pevnost a vysoká tepelná vodivost.
Grafen ve skutečnosti vede elektrický proud 100krát účinněji než měď! Elektrony vede také 140krát rychleji než křemík. Proto je grafen tak důležitý pro objevování způsobů, jak rychleji nabíjet baterie.
Výrobci (a vědci) vnímají grafen jako slibný materiál pro širokou škálu aplikací. Na základě výzkumu i toho, jak ho dnes vidíme v jeho využití, by mohl hrát velmi důležitou roli v elektronice, ukládání energie a kompozitech. Vzhledem k jedinečným vlastnostem grafenu by mohl potenciálně způsobit revoluci v ukládání energie a hustotě výkonu dostupné v nejlepším elektrickém nářadí.
Vynález grafenových baterií začal objevem způsobu výroby grafenu v jednoatomové formě. Toto úsilí se obvykle připisuje týmu výzkumníků z Manchesterské univerzity ve Velké Británii. Tým vedený nositeli Nobelovy ceny Sirem Andrem Geimem a rusko-britským fyzikem Konstantinem Novoselovem objevil v roce 2004 některé zajímavé vlastnosti grafenu.
Během jednoho z týdenních „Pátečních nočních experimentů“ Andrea a Kostii oba vědci použili lepicí pásku k odstranění několika vloček z kusu grafitu. Když si všimli, že některé vločky byly tenčí než jiné, pokračovali v experimentech. Opakovaným oddělováním fragmentů grafitu nakonec vytvořili vločky silné jen jeden atom! Tento experiment vedl k první izolaci grafenu.
Společnost Vorbeck Materials Corp. spolupracovala s Ilhanem Aksayem, profesorem chemického a biologického inženýrství na Princetonské univerzitě. Pacifická severozápadní národní laboratoř (PNNL) prokázala, že malé množství grafenu – ultratenkého plátu atomů uhlíku – může výrazně zlepšit výkon a cyklickou stabilitu lithium-iontových baterií. Navíc to dokáže při zachování vysoké kapacity pro ukládání energie.
V roce 2016 představila pekingská společnost Dongxu Optoelectronic Technology baterii G-King s kapacitou 4800 mAh. Tato baterie notebookového typu se nabije za méně než 15 minut a vydrží až 3500 nabíjecích cyklů.
V roce 2017 Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) oznámil svou „grafenovou kouli“. Tento unikátní materiál pro baterie prokázal 45% nárůst kapacity spolu s rychlostí nabíjení až 5krát vyšší než u standardní lithium-iontové baterie.
Nová technologie slibuje obrovské výhody pro mobilní zařízení i elektromobily. Trh s elektromobily dává velký smysl, když si uvědomíte, že grafenová koule dokáže odolat stabilní teplotě 60 stupňů Celsia.
Společnost Samsung byla průkopníkem v metodách syntézy grafenu ve 2D formě a jeho následného použití v bateriích. Toho bylo dosaženo za použití snadno dostupného oxidu křemičitého (SiOXNUMX). Tuto „grafenovou kuličku“ aplikovali jak na ochrannou vrstvu anody, tak na katodové materiály v lithium-iontových bateriích.
Hustota výkonu standardních lithium-iontových baterií se stále zvyšuje, ale nedošlo k velkému pokroku ve zkrácení doby nabíjení. Grafenové baterie mají oproti standardním lithium-iontovým bateriím dvě hlavní výhody:
Princip jeho fungování je jednoduchý – alespoň teoreticky. Používání baterií na bázi grafenu je zcela nový směr. Umožňuje rychlejší nabíjení článků baterie. Lithium-iontové baterie fungují na principu přenosu lithiových iontů mezi katodou a anodou pomocí kapalného elektrolytu. To trvá určitou dobu, zejména během fáze nabíjení.
Darujte v mobilních hrách
Velký výběr her, více než 30000 XNUMX dokončených objednávek, široká nabídka měn a sad, propagační akce, bonusy a mnoho dalšího.
Technologie používané k výrobě baterií moderních smartphonů jsou již docela dobré. Ale jedné věci, které fanoušci gadgetů nemají nikdy dost, je výdrž baterie. Nebylo by skvělé, kdyby naše telefony vydržely dva nebo tři celé dny intenzivního používání na jedno nabití? Co takhle celý týden? S grafenovými bateriemi to nemusí být takový dýmkový sen.
Grafenové baterie zatím nefungují na chytrých telefonech a jiných gadgetech, ale tato technologie se vyvíjí. V budoucnu se mohou grafenové baterie stát náhradou za lithium-iontové baterie, na kterých se v posledních desetiletích stal tak závislý celý high-tech průmysl.
Navzdory tomu, že jsme stále daleko od komerčního využití grafenových technologií, včetně baterií, by tato myšlenka neměla být podceňována – v příštích letech by se mohla stát realitou.
Co je to grafenová baterie?
Než se ponoříme do problematiky grafenových baterií, měli bychom si připomenout, co grafen je a čeho všeho je tento materiál schopen.
Stručně řečeno, grafen je soubor uhlíkových atomů pevně spojených do šestiúhelníkové nebo voštinové struktury. Grafen je tak jedinečný, že jeho struktura je silná pouze jedna atomová vrstva. Je tedy dvourozměrný. Tato dvourozměrná struktura má velmi zajímavé vlastnosti, včetně vynikající elektrické a tepelné vodivosti, vysoké pružnosti, zvýšené pevnosti a nízké hmotnosti. Zajímavá je především elektrická a tepelná vodivost, která je dokonce lepší než měď – nejvodivější ze všech kovů.
Pokud jde o baterie, schopnosti grafenu lze využít různými způsoby. Jeho ideální aplikací jako baterie je tzv. superkondenzátor. Superkondenzátory uchovávají proud stejně jako běžná baterie, ale dokážou se neuvěřitelně rychle nabíjet a vybíjet.
Nevyřešeným problémem grafenu je, jak hospodárně a hromadně vyrábět jeho ultratenké listy pro použití v bateriích a dalších technologiích. Výrobní náklady jsou v současnosti neúměrné, ale další výzkum pomůže k tomu, aby se grafenové baterie staly realitou.
V roce 2017 Samsung oznámil průlom v této oblasti s vývojem „grafenových korálků“. Nedávno se ukázalo, že Tesla má zájem také o technologii autobaterií využívající grafen.
Grafen vs Li-ion
Podobně jako lithium-iontové (Li-ion) baterie využívají grafenové články dvě vodivé desky potažené porézním materiálem a ponořené do roztoku elektrolytu. Ale i když je jejich vnitřní struktura velmi podobná, mají obě baterie odlišné vlastnosti.
Grafen nabízí vyšší elektrickou vodivost než lithium-iontové baterie. To umožňuje rychlejší nabíjení článků, které mohou také produkovat velmi vysoké proudy. To se hodí zejména například u autobaterií nebo rychlonabíjení zařízení. Vysoká tepelná vodivost také znamená, že se baterie nepřehřívají, čímž se prodlužuje jejich životnost i v tenkých pouzdrech na smartphony.
Grafenové baterie jsou také lehčí a tenčí než současné lithium-iontové články. To znamená menší, tenčí zařízení nebo baterie s vyšší kapacitou, které nevyžadují další prostor. Grafen také umožňuje dosáhnout mnohem vyšší kapacity baterie. Lithium-iontová baterie uchovává až 180 Wh energie na kilogram a grafen – až 1000 Wh na kilogram.
A konečně, grafen je bezpečnější. Přestože lithium-iontové baterie mají velmi dobrou bezpečnost, došlo k několika závažným incidentům, které se týkaly selhání baterií. Přehřátí, přebití a proražení může způsobit chemickou nerovnováhu v lithium-iontových bateriích, což může vést k požáru. Grafen je mnohem stabilnější, pružnější a pevnější a také odolnější vůči těmto typům problémů.
Nyní lithium-iontové baterie již mohou používat grafen ke zlepšení vlastností katodového vodiče. Tyto jsou známé jako hybridní baterie, které nabízejí nižší hmotnost, rychlejší dobu nabíjení, vyšší kapacitu a delší životnost než moderní baterie. První spotřebitelské grafenové baterie budou pravděpodobně hybridní baterie.
Co to znamená pro smartphony?
Budoucí smartphony s grafenovými bateriemi by demonstrovaly všechny výše uvedené výhody. Budou se nabíjet ještě rychleji, výdrž baterie vydrží den nebo dva, ne-li déle, a samotná zařízení budou tenčí a lehčí.
Přechod na grafen by mohl nabídnout o 60 % větší kapacitu ve srovnání s lithium-iontovou baterií stejné velikosti. V kombinaci se zlepšeným odvodem tepla se tím prodlouží životnost zařízení. Po několika letech nebudete muset platit za drahé výměny baterie, aby vaše zařízení fungovala.
Grafenové baterie by umožnily smartphonům ztenčit nebo poskytnout větší kapacitu baterie při zachování jejich současných proporcí – ale nejen to. Nového vývoje by se dočkaly také technologie rychlého nabíjení mezi zařízeními. S bateriemi, které zvládají velmi vysoké proudy a rychle se nabíjejí, by se gadgety mohly navzájem nabíjet supervysokými rychlostmi.
Přestože technologie grafenových baterií je ještě několik let daleko od výzkumu a vývoje, je to vynikající vyhlídka pro budoucí smartphony, gadgety, elektrická vozidla a další zařízení.