I ten, kdo má malé znalosti technologie, ví, že každý autonomní systém, jehož provoz je napojen na elektřinu, vyžaduje nezávislé zdroje elektřiny. Jedná se o mobilní zařízení, vozidla vybavená bateriemi a bateriemi.
Dnes běžně používané „baterie“ mají omezenou kapacitu a krátkou životnost. Grafenová baterie tyto nevýhody nemá. Článek se bude zabývat tím, co takové baterie jsou, jak fungují, jaké jsou jejich výhody a nevýhody a kde je lze najít.
O materiálu grafen
Existují dvě známé formy uhlíku: grafit a diamant. První se používá jako tuhy, diamant je nejodolnější materiál na celé planetě. V roce 2004 ruští vědci „obdrželi“ dosud neznámou třetí formu – grafen.
Grafen sám o sobě je látka se strukturou podobnou filmu, „složená“ z atomů uhlíku (jak říká Wikipedie). Tento dvourozměrný film nelze nalézt v přírodních podmínkách. Vyrábí ho lidé, což vyžaduje vysoký tlak a teplotu.
Ve skutečnosti je tato látka rovinou grafitu, oddělenou od celkové struktury materiálu. Atomy uhlíku grafenu se „spojují“ a vytvářejí hexagonální krystalovou mřížku.
Jejich spojení je tak husté, že látka má vysoký stupeň tuhosti a obrovskou rezervu tepelné vodivosti.
Elektrony v látce si zachovávají svou pohyblivost, takže materiál objevený v roce 2004 je vhodný pro „začlenění“ do polovodičových obvodů, baterií a nanotechnologií. Zvláštností grafenových baterií je, že váží málo a přesto mají rekordní kapacitu.
Grafenové baterie
„Inovativní uhlík“ našel uplatnění především v automobilovém průmyslu. Přesněji ve výrobě elektromobilů. Zvýšená aktivita nabitých částic umožňuje zvýšit užitečnou kapacitu grafenových baterií.
Během počátečních fází vývoje těchto napájecích zdrojů bylo do grafenových listů přidáno lithium. Látka však „násilně“ reagovala na vodu a další oxidační činidla, takže se ukázalo, že toto schéma je pro průmyslové účely málo použitelné.
Lithium přicházející do kontaktu s vodou na otevřeném prostranství způsobí masivní explozi. Proto se takové úpravy do aut nemontovaly, protože při poškození vozidla a spolu s ním i baterie by mohlo dojít k požáru.
Samotný výrobní proces si vyžádal velké množství lithia, jehož látky na planetě mnoho není.
Lithium-grafenové baterie se nabíjejí dlouho, a proto nastaly potíže s jejich používáním v automobilovém průmyslu. Novým zdrojem energie se staly hořčík-grafenové baterie, o kterých bude řeč později.
Princip fungování baterie je podobný, jako fungují klasické baterie v autech se spalovacími motory. Liší se pouze elektrochemické procesy probíhající v „těle“ zařízení. Jsou téměř totožné s reakcemi lithium-polymerových baterií.
Existují dvě technologie výroby grafenových napájecích zdrojů:
- americký model. Zdrojem reakce je kobaltát lithný a katoda střídajících se křemíkových a grafenových desek;
- ruský model. Magnesium-graphene modifikace, ve které byla lithná sůl (anoda) nahrazena oxidem hořečnatým (dostupná a méně toxická látka).
Grafen má vysokou elektrickou permeabilitu a je také náchylný k akumulaci elektrického náboje. Proto v obou případech roste rychlost pohybu iontů mezi elektrodami a s tím i kapacita baterií.
Výhody a nevýhody
Ve srovnání s tradičními technologiemi mají grafenové zdroje energie následující výhody:
- suroviny jsou dostupné a hojné. Nyní se grafen vyrábí v průmyslovém měřítku a poměrně jednoduchým způsobem;
- lehká váha. Hmotnost 1 m 2 grafenu je menší než 1 gram. To znamená, že se sníží celková hmotnost baterie, což se přizpůsobí výrobě elektrických vozidel;
- ekologicky nezávadná látka, která nemá negativní vliv na životní prostředí;
- vysoká pevnost a odolnost proti vodě;
- poškozené oblasti jsou rychle obnoveny;
- vodivost je vyšší než u jakéhokoli aktuálně dostupného polovodiče;
- vysoká specifická kapacita. Pokud se jako zdroj proudu použije grafenová baterie, pak elektromobil ujede 1000 km bez dobíjení;
- technicky odolná látka, jejíž výkon neklesá v důsledku častých cyklů nabíjení/vybíjení;
- nabíjí rychle.
Nevýhodou grafenové baterie je její nízká hustota. Z tohoto důvodu se takové napájecí zdroje neinstalují do mobilních zařízení, protože jsou příliš velké.
Ale to není ten „strašný“ problém. Faktem je, že grafenové baterie se dosud nevyráběly ve velkých sériích.
Zařízení
Grafenové baterie fungují na základě stejné elektrochemické reakce, která je vlastní běžným olověným bateriím, které obsahují kyselý nebo alkalický elektrolyt.
Zařízení je nejvíce podobné lithium-iontovým napájecím zdrojům, které využívají pevný elektrolyt.
Jediná věc je, že katoda je uhelný koks, protože jeho chemické složení je nejblíže čistému uhlíku a grafitová vrstva je nahrazena grafenem.
Kapacita baterie závisí na tom, kolik iontů je v anodové krystalové mřížce. Rychlost, kterou se ionty pohybují, ovlivňuje, jak rychle se baterie nabíjí.
Aby se zvýšila „kapacita“ baterie, začali vědci instalovat křemíkové shluky mezi vrstvy grafenu. A aby se zvýšila rychlost nabíjení, začaly se v grafenových deskách vyrábět malé otvory, 15–20 nm (nanometrů).
Vlastnosti hořčíkovo-grafenové baterie
První hořčíkové baterie vyvinuli španělští vědci v roce 2017. Grafenové baterie, ve kterých je elektrolytem hořčík, jsou prostornější a nabíjejí se rychleji.
Tento vynález je často označován jako nová generace baterií. Zároveň jsou o 77 % levnější a o 50 % lehčí než jejich lithium-iontové protějšky.
Vysoká iontová mobilita umožňuje nabít takovou baterii za 8 minut. A maximální kapacita stačí na to, aby elektromobil ujel 1000 km.
Principem fungování každé baterie jsou chemické procesy oxidace a redukce. Hořčík, který stojí téměř 20krát méně než lithium, nebyl vybrán náhodou.
Hořčík, stejně jako lithium, není při kontaktu s kapalinou výbušný a také se snáze likviduje. A jeho zásob je na planetě mnohem více.
Hořčík není ideální látkou, a proto nastaly potíže s výrobou hořčíkovo-grafenových baterií. Vážným problémem se ukázal být výběr elektrolytu, ve kterém by se ionty pohybovaly. Tato práce stále pokračuje.
Podle vědců budou mít nové hořčíkovo-grafenové baterie kapacitu 2,5krát větší než tradiční lithiové zdroje energie.
Německé automobilové koncerty přijaly takovou baterii k testování. Test byl úspěšný a začalo se mluvit o využití baterií v průmyslu.
Elektromobil jezdící bez použití fosilních paliv nebude tak rychlý jako benzinové nebo naftové vozidlo. Ale cena jídla a služeb je snížena. A to už je významný krok, který dále odráží vyhlídky elektromobilů.
Společnost Graphenano vytvořila společnost vyrábějící grafenové baterie v roce 2017. Jejich slibný vývoj – polymerové baterie, bohužel ještě nebyl uvolněn.
Podle jejich názoru se takové zdroje stanou ještě bezpečnějšími a odolnějšími vůči zkratům.
Kde koupit baterii
Baterie vyrobené z grafenu zatím zůstávají pouze ve formě projektů. Pokud budou implementovány, budou vyrábět baterie, které mohou fungovat rok bez dobíjení. Dosud se musí náboj neustále doplňovat a každý ví, jak dlouho trvá nabití lithium-iontových „desek“.
Stačí si představit, že jedna krabice o velikosti tyčinky másla může obsahovat 1 megawatt energie – někdo by chtěl takový vynález použít jako zbraň se značnou ničivou silou. Výrobci nadále testují nový produkt ve svých automobilových koncernech a přivádějí jej na „standardy“.
Uhlíkové zdroje energie jsou technologií, která najde odezvu v budoucnu, kdy se budou dolaďovat všechny technické detaily výroby. Pak se snad objeví první smartphony s grafenovými bateriemi, které se nabijí za pár minut.
Pojďme zjistit, kde jsou dlouho slibované revoluční grafenové baterie a proč stále používáme baterie na bázi lithia.
S každou novou generací iPhonu vidíme vylepšení procesorů, paměti, displejů, fotoaparátů a téměř každé další součásti. Proč nevidíme žádná významná zlepšení u baterií? Ve srovnání s tím, jak rychle se vyvíjejí všechny ostatní součásti smartphonu, se zdá, že baterie stojí na místě.
Pojďme nejprve zjistit, co je špatného na stávajících lithium-iontových bateriích a zjistit, jaké jsou jejich hlavní nevýhody.
Nevýhody Li-ion baterií
křehkost
Myslím, že každý z vás si všiml, že po roce používání smartphonu baterie ztrácí kapacitu o 10–15 %. 800–1000 cyklů je limit pro většinu baterií v chytrých telefonech; za tímto limitem se používání gadgetu stává nepraktickým.
Citlivost na teplotu
Většina lithiových baterií špatně snáší změny teploty. Provoz při příliš nízkých nebo příliš vysokých teplotách povede k degradaci baterie. Vzpomeňte si, jak se iPhone vypínal v extrémních mrazech. V chladném počasí chemické složky ztrácejí své vlastnosti a nemohou produkovat dostatečné napětí – v důsledku toho se telefon vypne. K maximálnímu poškození baterie dochází při nabíjení za studena.
Vysoké teploty mají také negativní dopad na součásti baterie. Není nutné používat telefon v sauně nebo v horkých zemích. Naše zařízení se velmi zahřívají, když je zatěžujeme těžkými úkoly. Hry, práce s fotografiemi nebo videi, navigace – to vše dává procesoru a dalším komponentům větší práci a generuje více tepla. Pokud svůj smartphone vystavíte intenzivní zátěži a zároveň jej nabijete, nevyhnutelně se dostaneme do nadměrného tepla.
Citlivost na intenzivní nabíjení nebo vybíjení
Rychlé nabíjení vytváří nadměrné teplo a vysoké teploty poškozují součásti baterie. Navíc rychlé nabíjení může vést k tvorbě dendritů na anodě. Dendrity jsou vlákna vyrobená z kovu lithia. Tyto útvary mohou způsobit zkrat a poruchu baterie.
To je samozřejmě velmi extrémní případ a výrobci se tomu snaží předejít. Za tímto účelem se vyvíjejí různé protokoly pro ochranu před přehřátím a zkratem. Ale tvorba dendritů stále negativně ovlivňuje životnost baterie.
Intenzivní výboj je také doprovázen uvolňováním přebytečného tepla. Kromě toho generují teplo i další komponenty: procesor, obrazovka a rádiové moduly. To vše vede k přehřívání baterie a její degradaci.
Vysoká cena
Lithiové baterie jsou na výrobu poměrně drahé – samozřejmě ve srovnání s jinými typy baterií. Faktem je, že lithium samo o sobě je kov vzácných zemin a není levné. Výroba lithiových baterií má negativní dopad na životní prostředí. A samotné baterie mohou vážně otrávit půdu, takže je nutné je recyklovat.
Nejistota
Lithium je velmi aktivní kov a baterie na jeho bázi se mohou vznítit velmi jasně a hlučně. Jedním z nejvýmluvnějších příkladů je Samsung Galaxy Note 7. Špatně navržená baterie a řada nešťastných náhod může způsobit katastrofu.
Ukazuje se, že lithiové baterie jsou poměrně drahé, mají jemné a choulostivé komponenty a také znečišťují životní prostředí. A pak ve vaší mysli musí vyvstat otázka: když jsou lithiové baterie tak špatné, proč je stále používáme? Kde jsou nové vynálezy, revoluční nanomateriály? Žijeme v XNUMX. století!
Jedním z takových revolučních materiálů je grafen.
Co je grafen?
Grafen je v podstatě uhlík a uhlík je na Zemi neuvěřitelně běžný prvek. Grafit, diamant, saze, grafen – to vše je uhlík, nebo spíše jeho alotropní formy. Jejich chemický vzorec je identický – „C“, ale způsob, jakým jsou atomy uhlíku navzájem spojeny, určuje vlastnosti materiálu. Diamant je neuvěřitelně tvrdý, tužkový grafit lze snadno zlomit. Je to proto, že stejné atomy v grafitu a diamantu jsou uspořádány odlišně.
Atomy v grafenu jsou také uspořádány v prostoru zvláštním způsobem. Nejprve jsou seřazeny o tloušťce jednoho atomu. Za druhé, atomy tvoří šestiúhelník, podobný voštině:
Tato struktura dává grafenu prostě neuvěřitelné vlastnosti.
Grafen je vynikající vodič jak elektronů, tak tepla. Grafen je 200krát pevnější než ocel, přesto je neuvěřitelně pružný, elastický a téměř průhledný.
Díky těmto vlastnostem si grafen získal mezi vědci obrovskou popularitu: za pár let pro něj byly vynalezeny stovky pochybných aplikací. Ve vědecké komunitě se testování vlastností grafenu stalo téměř memem. Jde to tak daleko, že se do grafenu přidává kuřecí hnůj, aby se otestovalo, jak to ovlivní jeho kvality.
Díky tomuto humbuku kolem grafenu se na trhu objevily grafenové bundy, šaty, tenisové rakety, motorový olej s grafenem a hromada dalšího zbytečného harampádí, které často grafen neobsahovalo a v lepším případě byl grafen přidáván na setiny procenta. .
Faktem je, že čistý grafen je extrémně drahý materiál:
- Jeden gram čistého grafenu, který se používá v elektronice, stojí asi 28 miliard dolarů;
- Jeden gram grafenu smíchaný s prachem stojí asi 1000 dolarů.
Může grafen vyřešit problémy s bateriemi?
Až dosud lidstvo nezná komerčně úspěšné metody výroby grafenu v průmyslovém měřítku. Vysoká cena a obtížnost výroby velkého množství grafenu je jedním z důvodů, proč v našich chytrých telefonech nevidíme grafenové baterie. Ale to není jediný důvod. Použití grafenu jako katody nebo anody v bateriích není dobrý nápad.
To je důvod, proč grafen není nejvhodnějším materiálem pro dlouhodobé skladování energie.
V lithiových bateriích se náboj ukládá díky tomu, že ionty lithia pronikají do grafitové anody a tam pevně zůstávají. Tento proces se nazývá interkalace. Lithiové baterie prakticky nepodléhají samovybíjení. Powerbanku můžete nabíjet a používat po 2 měsících.
Pokud vezmeme baterii a použijeme k výrobě anody grafen místo grafitu, pak ionty lithia nebudou moci proniknout do grafenu, ale budou se hromadit na povrchu. V tomto případě budou ionty držet na anodě velmi slabě, časem mohou ionty samovolně opustit grafen. V důsledku toho skončíme se samovybíjením baterií.
Možnost, kdy se ionty hromadí na povrchu anody a slabě na ní drží, se dobře hodí pro superkondenzátory. Jedná se o vynikající možnost, když potřebujete rychle a bez námahy odstranit velké množství iontů a přenést velké množství energie v krátkém čase. Použití grafenu proto vypadá mnohem logičtěji v superkondenzátorech, ale pro klasické baterie se grafen nijak zvlášť nehodí.
Ale grafenové baterie se prodávají už dlouho
Pravidelně slýcháme, že ten či onen startup již spustil grafenové powerbanky k prodeji. Čas od času se objeví zprávy, že giganti jako Samsung začnou do svých smartphonů dávat grafenové baterie doslova zítra. Ve skutečnosti je to jen další marketingový tah. V takových bateriích se grafen používá jako přísada ke zlepšení určitých vlastností lithiových baterií.
Přidáme-li například grafen do elektrod, zvýšíme jejich vodivost. V podstatě to zůstane stejná lithiová baterie, jejíž vlastnosti vylepšuje grafen o 5–10 %. Podobných produktů je na trhu již spousta. Jeden z prvních smartphonů v mé paměti využívající grafen v baterii byl Honor Magic. Ale jeho baterie nebyla pamatována pro žádné vynikající vlastnosti.
Není to tak dávno, co Natasha natočila video o Power Bank s grafenem:
Ve skutečnosti se grafenové powerbanky od běžných liší pouze rychlým nabíjením. Celkově se tyto „plechovky“ při nabíjení stále zahřívají a mají průměrnou kapacitu.
Čistě grafenové baterie jsou v této fázi technologického vývoje spíše marketingem na téma humbuku. Ale hybridy lithia, ve kterých se jako pomocná složka používá grafen, se používají už dlouho. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei a další značky přidávají do svých baterií grafen.
Ne revoluce, ale evoluce
Pokud se podíváte na lithiové baterie z jiného úhlu, ukáže se, že vůbec nestojí, ale neustále se vyvíjejí – jde jen o to, že tento vývoj není náhlý, ale velmi hladký a postupný. A co je nejdůležitější, technologie lithiových baterií ještě nedosáhla svého limitu a možná grafen pomůže uvolnit potenciál lithiových baterií na 100 %.
Kapacita baterie
Zdá se nám, že nedochází k navyšování kapacity lithiových baterií, ale není tomu tak. První z nich dokázala uložit asi 100 Wh/kg, po 20 letech postupného vývoje se tato hodnota zdvojnásobila. V současné době mohou lithiové baterie uchovat 200–240 Wh/kg. Podle vědců budou moci zvýšit energetickou náročnost na 400 Wh/kg. A dost možná je to právě grafen, který pomůže tento ukazatel přiblížit realitě.
Rychlost nabíjení
To je další důležitý parametr, který se již pomocí grafenu zlepšuje. Vzhledem k tomu, že grafen má nízký odpor a dobře vede proud, komponenty s přídavkem grafenu se méně zahřívají. Kromě toho je grafen také dobrým vodičem tepla, takže se teplo z komponent baterie lépe odvádí.
V posledních letech jsme svědky rychlého rozvoje technologií rychlého nabíjení. Není to tak dávno, co prezentace technologií rychlého nabíjení 120 W hřímaly. A právě nedávno Xiaomi ukázalo 200W nabíječku, která naplní 11 mAh baterii Mi 4000 Pro za osm minut. S největší pravděpodobností byl do baterie tohoto Mi 11 Pro přidán grafen, ale Xiaomi o tom mlčí.
Citlivost na teplotu
Co se zatím výrazně nezlepšilo, je citlivost baterií na změny teploty a počet cyklů nabití-vybití. V těchto věcech zatím ani životodárný grafen moc nepomůže. Přesněji řečeno, grafen pomáhá částečně neutralizovat negativní vlivy přehřívání, ale neumí si poradit s nízkými teplotami.
Prodloužení životnosti
Co se týče zvýšení počtu cyklů nabití-vybití, přichází na pomoc další součástka – křemík. Dokáže zvýšit životnost lithiových baterií až o 300 %, ale vedlejším efektem křemíku je zvětšení velikosti baterií. Díky tomu budou baterie s křemíkem buď mít stejnou kapacitu jako nyní, ale budou fyzicky několikanásobně větší, nebo můžeme vyrobit kompaktní baterii s dlouhou životností, která bude mít malou kapacitu.
Abychom to shrnuli, můžeme říci, že technologie baterií nestojí na místě a nedochází k žádným prudkým skokům. Ale stále dochází k postupnému a velmi sebevědomému pokroku. Od grafenu byste neměli očekávat žádné magické vlastnosti. Grafen nepovede k revolučnímu skoku ve vývoji baterií a rozhodně nenahradí technologii lithiových baterií, ale pouze ji doplní. Myslím, že ne nadarmo Elon Musk sází na lithiové baterie. Tesla z nějakého důvodu investuje obrovské množství peněz do vývoje lithiových baterií.
Můžeme být jen trpěliví a čekat, až bude technologie pokročilejší a baterie se konečně zbaví svých posledních slabých míst!
