Produkcja akumulatorów nowej generacji. Baterie nowego typu

Wyobraź sobie telefon komórkowy, który ładuje się przez ponad tydzień, a następnie ładuje się w 15 minut. Fantastyczny? Ale może stać się rzeczywistością dzięki nowym badaniom naukowców z Northwestern University (Evanston, Illinois, USA). Zespół inżynierów opracował elektrodę do akumulatorów litowo-jonowych (stosowanych obecnie w większości telefonów komórkowych), która dziesięciokrotnie zwiększyła ich pojemność energetyczną. Przyjemne niespodzianki nie ograniczają się do tego – nowe urządzenia akumulatorowe są w stanie ładować się 10 razy szybciej niż obecne.

Aby przezwyciężyć ograniczenia nałożone przez istniejące technologie na pojemność energetyczną i szybkość ładowania baterii, naukowcy zastosowali dwa różne podejścia inżynierii chemicznej. Powstały akumulator nie tylko wydłuży czas działania małych urządzeń elektronicznych (takich jak telefony i laptopy), ale także utoruje drogę do rozwoju bardziej wydajnych i kompaktowych akumulatorów do pojazdów elektrycznych.

„Znaleźliśmy sposób na 10-krotne wydłużenie czasu retencji nowej baterii litowo-jonowej” – powiedział profesor Harold H. Kung, jeden z głównych autorów badania. „Nawet po 150 sesjach ładowania/rozładowania, co oznacza co najmniej rok pracy, pozostaje pięć razy wydajniejszy niż dostępne obecnie na rynku akumulatory litowo-jonowe”.

Działanie akumulatora litowo-jonowego opiera się na reakcji chemicznej, w której jony litu przemieszczają się między anodą a katodą umieszczoną na przeciwległych końcach akumulatora. Podczas pracy akumulatora jony litu migrują z anody przez elektrolit do katody. Podczas ładowania ich kierunek jest odwrócony. Obecnie istniejące baterie mają dwa ważne ograniczenia. Ich pojemność energetyczna – to znaczy czas, przez jaki bateria może utrzymać ładunek – jest ograniczona gęstością ładunku lub liczbą jonów litu, które mogą być umieszczone na anodzie lub katodzie. Jednocześnie szybkość ładowania takiego akumulatora jest ograniczona szybkością, z jaką jony litu są w stanie przejść przez elektrolit do anody.

W obecnych akumulatorach anoda składająca się z wielu arkuszy grafenowych może mieć tylko jeden lit na każde sześć atomów węgla (z których składa się grafen). Próbując zwiększyć pojemność energetyczną baterii, naukowcy eksperymentowali już z zastąpieniem węgla krzemem, który może pomieścić znacznie więcej litu: cztery atomy litu na każdy atom krzemu. Jednak podczas ładowania krzem gwałtownie się rozszerza i kurczy, co powoduje rozdrobnienie substancji anodowej i w efekcie szybką utratę zdolności ładowania akumulatora.

Obecnie niski wskaźnik ładowania baterii tłumaczy się kształtem arkuszy grafenowych: w porównaniu z grubością (stanowiących tylko jeden atom) ich długość jest zaporowo duża. Podczas ładowania litowo-jonowy musi dotrzeć do zewnętrznych krawędzi arkuszy grafenowych, a następnie przejść między nimi i zatrzymać się gdzieś w środku. Ponieważ lit potrzebuje dużo czasu, aby dotrzeć do środka arkusza grafenowego, na krawędziach obserwuje się coś w rodzaju zatoru jonowego.

Jak wspomniano, zespół badawczy Kuonga rozwiązał oba te problemy, stosując dwie różne technologie. Po pierwsze, aby zapewnić stabilność krzemu, a tym samym utrzymać maksymalną pojemność ładowania baterii, umieścili klastry krzemu pomiędzy arkuszami grafenu. Umożliwiło to zwiększenie liczby jonów litu w elektrodzie, przy jednoczesnym wykorzystaniu elastyczności arkuszy grafenowych do uwzględnienia zmian objętości krzemu podczas ładowania/rozładowywania akumulatora.

„Teraz zabijamy oba ptaki jednym kamieniem” — mówi Kung. „Dzięki krzemowi uzyskujemy wyższą gęstość energii, a przeplatanie warstw zmniejsza straty mocy spowodowane rozszerzaniem i kurczeniem się krzemu. Nawet przy zniszczeniu klastrów krzemowych sam krzem nie pójdzie nigdzie indziej.”

Ponadto naukowcy wykorzystali proces utleniania chemicznego do stworzenia miniaturowych (10-20 nanometrów) otworów w arkuszach grafenu („defekty w płaszczyźnie”), które zapewniają jonom litu „szybki dostęp” do wnętrza anody oraz następnie przechowywanie w nim w wyniku reakcji z krzemem. Dzięki temu skróciło się czas ładowania akumulatora o 10 razy.

Do tej pory wszelkie wysiłki zmierzające do optymalizacji wydajności baterii koncentrowały się na jednym z ich elementów – anodzie. W kolejnym etapie badań naukowcy planują w tym samym celu zbadać zmiany w katodzie. Ponadto chcą zmodyfikować układ elektrolityczny, aby akumulator mógł automatycznie (i odwracalnie) wyłączać się w wysokich temperaturach – podobny mechanizm ochronny może się przydać podczas korzystania z akumulatorów w pojazdach elektrycznych.

Według twórców, w obecnej formie nowa technologia powinna wejść na rynek w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat. W czasopiśmie „Advanced Energy Materials” ukazał się artykuł na temat wyników badań i rozwoju nowych akumulatorów.

Bateria „kwantowa”

Od 26 do 28 lutego w Tokio odbywa się wystawa napędów, którą reprezentuje m.in. Micronics Japan Co. Sp. z o.o. Niewiele wiadomo o jej poprzednich opracowaniach, ale ostatnio ogłosiła, że ​​opracowała i przygotowała do produkcji nowy typ baterii warstwowej. Jedno ogniwo, które demonstruje firma, to warstwa półprzewodnikowa z tlenku metalu typu n, która wykorzystuje cząsteczki dwutlenku tytanu, dwutlenku cyny i tlenku cynku pokryte warstwą izolacyjną. Prototyp wykorzystuje blachę ze stali nierdzewnej o grubości 10 mikronów, ale wkrótce zostanie zastąpiony aluminium.

Twórcy nazwali swoją baterię Quantum, aby podkreślić jej fizyczną, a nie chemiczną naturę. Pomimo tego, że do przechowywania energii wykorzystywane są elektrony zamiast jonów, ta bateria zasadniczo różni się od kondensatorów. Twierdzi się, że system opiera się na przechowywaniu elektronów „w pasmie wzbronionej” półprzewodnika.

W produkcji struktur "metal - tlenek - półprzewodnik" warstwa ładunku urządzenia magazynującego jest napromieniowana światłem ultrafioletowym. Po wytworzeniu, podczas ładowania, elektrony zajmują wolne poziomy energii w materiale roboczym i są tam przechowywane do czasu, gdy bateria wymaga rozładowania. Rezultatem są akumulatory o bardzo wysokiej gęstości magazynowania energii.
Nie wiadomo, co mają próbki testowe, ale deweloper twierdzi, że seryjne próbki, które pojawią się w niedalekiej przyszłości, będą miały moc do 500 Wh/l i jednocześnie będą w stanie dostarczyć nawet 8000 watów mocy szczytowej na litr objętości.
Napędy te łączą w sobie najlepsze cechy akumulatorów i superkondensatorów. Nawet przy małej pojemności będą w stanie dostarczyć wysoką moc szczytową. Napięcie usuwane z takich napędów nie zmniejsza się w miarę ich rozładowywania, ale pozostaje stabilne do końca.
Deklarowany zakres temperatur pracy wynosi od -25 do +85°C. Akumulator można poddać 100 tys. cykli ładowania-rozładowania, aż pojemność spadnie poniżej 90% oryginalnej. Możliwość szybkiego pobierania i uwalniania energii znacznie skróci czas ładowania. Ponadto baterie te są ognioodporne. Do jego produkcji nie są używane rzadkie lub drogie materiały. Ogólnie plusów jest tyle, że nawet nie mogę w to uwierzyć.

Akumulator samoładujący

Grupa naukowców kierowana przez Zhong Lin Wang z Georgia Institute of Technology (USA) stworzyła samoładującą się baterię, która nie wymaga podłączania do gniazdka w celu naładowania.
Urządzenie jest ładowane przez uderzenie mechaniczne, a raczej przez naciśnięcie. Planuje się go używać w smartfonach i innych urządzeniach dotykowych.
Twórcy umieścili swoje urządzenie pod klawiszami kalkulatora i byli w stanie zapewnić jego działanie w ciągu 24 godzin dzięki energii z naciskania przycisków.

Akumulator to „prirog” wykonany z folii z polifluorku winylidenu i cyrkoniowo-tytanowo-ołowiowych o grubości kilkuset mikrometrów. Po naciśnięciu jony litu migrują z katody do anody w wyniku efektu piezoelektrycznego. Aby poprawić wydajność prototypu, badacze dodali do jego materiału piezoelektrycznego nanocząsteczki, które wzmacniają odpowiedni efekt, i osiągnęli znaczny wzrost pojemności i szybkości ładowania urządzenia.
Musisz zrozumieć, że bateria jest nieprzezroczysta, więc można ją umieścić tylko pod przyciskami lub pod ekranem.
Bateria nie ma tak wybitnych cech jak poprzednio opisywane urządzenie (teraz pojemność baterii wielkości standardowego „tabletu” do płyt głównych wzrosła z początkowych 0,004 do 0,010 mAh), ale twórcy obiecują więcej popracować nad jego efektywność. Do wzorów przemysłowych jeszcze daleko, choć elastyczne ekrany – główne urządzenia, w których deweloperzy planują umieszczać swoje baterie – nie są jeszcze powszechnie stosowane. Jest jeszcze czas na sfinalizowanie swojego wynalazku i wprowadzenie go do produkcji.

Bateria cukrowa

Wygląda na to, że baterie rozwijają tylko Azjaci. Prototyp kolejnej niezwykłej baterii powstał na American Polytechnic University of Virginia.

Ta bateria zasadniczo działa na cukrze, a dokładniej na maltodekstrynie, polisacharydzie uzyskanym w wyniku hydrolizy skrobi. Katalizatorem w takiej baterii jest enzym. Jest znacznie tańszy niż platyna, która jest obecnie używana w konwencjonalnych bateriach. Taka bateria należy do typu enzymatycznych ogniw paliwowych. Energia elektryczna wytwarzana jest tutaj w wyniku reakcji tlenu, powietrza i wody. W przeciwieństwie do wodorowych ogniw paliwowych enzymy są niepalne i niewybuchowe. A po wyczerpaniu się baterii, według twórców, można ją uzupełnić cukrem.
Niewiele wiadomo o charakterystyce technicznej tego typu baterii. Twierdzi się jedynie, że gęstość energii w nich jest kilkakrotnie wyższa niż w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych. Koszt takich baterii jest znacznie niższy niż konwencjonalnych, więc twórcy są pewni, że znajdą komercyjne zastosowanie w ciągu najbliższych 3 lat. Poczekajmy na obiecane.

Bateria ze strukturą granatu

Jednak naukowcy z amerykańskiego National Acceleration Laboratory SLAC na Uniwersytecie Stanforda postanowili zwiększyć pojemność konwencjonalnych baterii, wykorzystując konstrukcję granatu.

Twórcy maksymalnie zmniejszyli rozmiar anod i umieścili każdą z nich w karbonowej powłoce. Zapobiega to ich zniszczeniu. Podczas ładowania cząsteczki rozszerzają się i łączą w skupiska, które również są umieszczane w powłoce węglowej. W wyniku takich manipulacji pojemność tych akumulatorów jest 10 razy większa niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.
Eksperymenty pokazują, że po 1000 cykli ładowania/rozładowania akumulator zachowuje 97% swojej pierwotnej pojemności.
Ale jest za wcześnie, aby mówić o komercyjnym zastosowaniu tej technologii. Nanocząstki krzemu są zbyt drogie w produkcji, a proces tworzenia takich baterii jest zbyt skomplikowany.

Baterie atomowe

I na koniec opowiem o rozwoju Brytyjscy naukowcy... Postanowili prześcignąć swoich kolegów, tworząc miniaturowy reaktor jądrowy. Prototypowa bateria atomowa, stworzona przez naukowców z University of Surrey na bazie trytu, wytwarza energię wystarczającą do działania telefonu komórkowego przez 20 lat. To prawda, że ​​później nie będzie można go naładować.

W baterii, która jest zintegrowanym mikroukładem, zachodzi reakcja jądrowa, w wyniku której generowane jest 0,8 - 2,4 wata energii. Temperatura pracy akumulatora wynosi od -50 do +150. Jednocześnie nie boi się nagłych zmian temperatury i ciśnienia.
Twórcy twierdzą, że zawarty w baterii tryt nie jest niebezpieczny dla ludzi, ponieważ jest tam bardzo mało treści. Jednak jest za wcześnie, aby mówić o masowej produkcji takich zasilaczy – naukowcy muszą jeszcze przeprowadzić wiele badań i testów.

Wniosek

Oczywiście nie wszystkie powyższe technologie znajdą swoje zastosowanie, niemniej jednak należy zrozumieć, że w ciągu najbliższych kilku lat powinien nastąpić przełom w technologii produkcji akumulatorów, co pociągnie za sobą gwałtowny wzrost proliferacji pojazdów elektrycznych i produkcji smartfonów i innych urządzeń elektronicznych nowego typu.

• Tłumaczenie

W ostatnich latach często słyszeliśmy, że prawie - a ludzkość otrzyma baterie, które będą w stanie zasilać nasze gadżety przez tygodnie, a nawet miesiące, będąc bardzo kompaktowymi i szybko ładującymi się. Ale rzeczy wciąż tam są. Dlaczego bardziej wydajne baterie jeszcze się nie pojawiły i jakie rozwiązania istnieją na świecie, przeczytaj pod cięciem.

Obecnie wiele startupów jest blisko stworzenia bezpiecznych kompaktowych baterii o kosztach magazynowania energii około 100 USD za kWh. Rozwiązałoby to problem całodobowego zasilania i w wielu przypadkach przejścia na odnawialne źródła energii, a jednocześnie zmniejszyłoby wagę i koszt pojazdów elektrycznych.

Jednak wszystkie te zmiany niezwykle powoli zbliżają się do poziomów komercyjnych, co nie pozwala na przyspieszenie przejścia z paliw kopalnych na źródła odnawialne. Nawet Elon Musk, który kocha odważne obietnice, musiał przyznać, że jego dział motoryzacyjny stopniowo ulepsza akumulatory litowo-jonowe, zamiast tworzyć przełomowe technologie.

Wielu deweloperów uważa, że ​​akumulatory przyszłości będą miały zupełnie inny kształt, strukturę i skład chemiczny w porównaniu z litowo-jonowym, który w ostatniej dekadzie wyparł inne technologie z wielu rynków.

Założyciel SolidEnergy Systems, Qichao Hu, który od dziesięciu lat opracowuje akumulator litowo-metalowy (anoda jest metalowa, a nie grafitowa, jak w tradycyjnym litowo-jonowym), przekonuje, że głównym problemem w tworzeniu nowych technologii magazynowania energii jest że wraz z poprawą jednego parametru, inne pogarszają się. W dodatku dziś jest tak wiele opracowań, których autorzy głośno twierdzą o swojej wyższości, że startupom bardzo trudno jest przekonać potencjalnych inwestorów i zebrać wystarczające środki na kontynuowanie badań.

Ładowarka Bioo

Wyobraź sobie całe gaje, w których każde drzewo jest sadzone nad takim urządzeniem, tylko większym i potężniejszym. Dostarczy to „darmową” energię do okolicznych domów i będzie ważnym powodem ochrony lasów przed wylesianiem.

Baterie ze złotymi nanodrutami

Nanospecjaliści tysiące razy cieńsze od ludzkiego włosa obiecują świetlaną przyszłość. W swoim rozwoju naukowcy wykorzystali złote druty w powłoce z dwutlenku manganu, które są umieszczone w żelopodobnym elektrolicie. Zapobiega to degradacji nanodrutów przy każdym cyklu ładowania.

Baterie magnezowe

Baterie półprzewodnikowe

Są pozbawieni tej wady stan stały Akumulatory litowo-jonowe, które są dziś uważane za jedne z najbardziej obiecujących. W szczególności twórcy Toyoty opublikowali artykuł naukowy, w którym opisali swoje eksperymenty z nadjonowymi przewodnikami siarczkowymi. Jeśli im się to uda, to akumulatory powstaną na poziomie superkondensatorów – zostaną w pełni naładowane lub rozładowane w zaledwie siedem minut. Idealny do pojazdów elektrycznych. A dzięki konstrukcji półprzewodnikowej takie akumulatory będą znacznie stabilniejsze i bezpieczniejsze niż nowoczesne akumulatory litowo-jonowe. Rozszerzy się również ich zakres temperatur pracy – od -30 do +100 stopni Celsjusza.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology, we współpracy z firmą Samsung, opracowali również akumulatory półprzewodnikowe, które przewyższają dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe. Są bezpieczniejsze, ich zużycie energii jest o 20-30% wyższe, a poza tym wytrzymują setki tysięcy cykli ładowania. Ponadto nie stanowią zagrożenia pożarowego.

Ogniwa paliwowe

Grafenowe akumulatory samochodowe

Wydajność Grabata o napięciu 2,3 ​​V jest ogromna: około 1000 Wh/kg. Dla porównania najlepsze przykłady akumulatorów litowo-jonowych mają poziom 180 Wh/kg.

Mikrosuperkondensatory wykonane laserowo

Naukowcy z Rice University poczynili postępy w rozwoju mikro-superkondensatorów. Jedną z głównych wad technologii są wysokie koszty wytwarzania, jednak zastosowanie lasera może prowadzić do znacznego obniżenia kosztów. Elektrody do kondensatorów są wycinane laserowo z plastikowego arkusza, co znacznie zmniejsza pracochłonność produkcji. Akumulatory te mogą ładować się 50 razy szybciej niż akumulatory litowo-jonowe i rozładowywać się wolniej niż stosowane obecnie superkondensatory. Ponadto są niezawodne, w trakcie eksperymentów pracowały nawet po 10 tys. gięć.

Baterie sodowo-jonowe

Grupa francuskich naukowców i firm RS2E opracowała akumulatory sodowo-jonowe do laptopów, które wykorzystują zwykłą sól. Zasada działania i proces produkcji są utrzymywane w tajemnicy. Pojemność 6,5-centymetrowego akumulatora to 90 Wh/kg, co jest porównywalne z masowymi akumulatorami litowo-jonowymi, ale wytrzymuje nie więcej niż 2 tys. cykli ładowania.

Akumulatory piankowe

Szybkie ładowanie o dużej pojemności „nano-żółtko”

Kolejne opracowanie Massachusetts Institute of Technology - nanocząstki do akumulatorów: wydrążona skorupa wykonana z dwutlenku tytanu, wewnątrz której (jak żółtko w jajku) znajduje się wypełniacz wykonany z proszku aluminiowego, kwasu siarkowego i oksysiarczanu tytanu. Wymiary wypełniacza mogą się zmieniać niezależnie od obudowy. Zastosowanie takich cząstek umożliwiło potrojenie pojemności nowoczesnych akumulatorów, a czas pełnego ładowania został skrócony do sześciu minut. Zmniejszyła się również szybkość degradacji baterii. Wiśnia na torcie - niski koszt produkcji i łatwość skalowania.

Ultraszybkie ładowanie akumulatora aluminiowo-jonowego

Bateria Alfa - dwa tygodnie na wodzie

Baterie, które można złożyć jak papier

uBeam - ładuj bezprzewodowo

uBeam to ciekawa koncepcja przesyłania energii do urządzenia mobilnego za pomocą ultradźwięków. Ładowarka emituje fale ultradźwiękowe, które są wychwytywane przez odbiornik na gadżecie i zamieniane na energię elektryczną. Najwyraźniej wynalazek opiera się na efekcie piezoelektrycznym: odbiornik rezonuje pod wpływem ultradźwięków, a jego wibracje generują energię.

Podobną ścieżką poszli naukowcy z Queen Mary University of London. Stworzyli prototyp smartfona, który ładuje się po prostu pod wpływem zewnętrznych dźwięków, w tym głosów ludzi.

SklepDot

Przezroczysty panel słoneczny

Rok później, w 2014 roku, Tag Heuer ogłosił nową wersję swojego popisowego telefonu Tag Heuer Meridiist Infinite, który miał mieć przezroczysty panel słoneczny między zewnętrzną szybą a samym wyświetlaczem. To prawda, nie jest jasne, czy doszło do produkcji.

Tagi: Dodaj tagi

Wiele osób uważa, że ​​przyszłość motoryzacji leży w samochodach elektrycznych. Za granicą są rachunki, według których część sprzedawanych co roku samochodów musi być albo hybrydami, albo zasilana energią elektryczną, więc pieniądze inwestuje się nie tylko w reklamę takich samochodów, ale także w budowę stacji benzynowych.

Jednak wiele osób wciąż czeka, aż samochody elektryczne staną się prawdziwymi rywalami dla tradycyjnych samochodów. A może tak będzie, gdy skróci się czas ładowania i wydłuży się żywotność baterii? Być może baterie grafenowe pomogą w tym ludzkości.

Co to jest grafen?

Rewolucyjny materiał nowej generacji, najlżejszy i najmocniejszy, najbardziej przewodzący elektryczność - chodzi o grafen, który jest niczym innym jak dwuwymiarową siatką węglową o grubości jednego atomu. Twórcy grafenu Konstantin Novoselov otrzymał Nagrodę Nobla. Zwykle między odkryciem a początkiem praktycznego wykorzystania tego odkrycia w praktyce mija długi czas, czasem nawet kilkadziesiąt lat, ale grafen nie spotkał takiego losu. Być może wynika to z faktu, że Novoselov i Geim nie ukrywali technologii jego produkcji.

Nie tylko opowiedzieli o tym całemu światu, ale także pokazali: na YouTube jest wideo, w którym Konstantin Novoselov szczegółowo opowiada o tej technologii. Dlatego być może niedługo będziemy mogli nawet zrobić baterie grafenowe własnymi rękami.

Rozwój

Próbowano wykorzystać grafen w niemal wszystkich dziedzinach nauki. Został wypróbowany w panelach słonecznych, słuchawkach, obudowach, a nawet próbował leczyć raka. Jednak w tej chwili jedną z najbardziej obiecujących i potrzebnych ludzkości rzeczy jest bateria grafenowa. Przypomnijmy, że przy tak niezaprzeczalnej przewadze, jak tanie i przyjazne dla środowiska paliwo, pojazdy elektryczne mają poważną wadę - stosunkowo niską prędkość maksymalną i rezerwę mocy nie większą niż trzysta kilometrów.

Rozwiązanie problemu stulecia

Akumulator grafenowy działa na tej samej zasadzie, co akumulator kwasowo-ołowiowy z elektrolitem alkalicznym lub kwasowym. Ta zasada jest reakcją elektrochemiczną. Budowa baterii grafenowej jest podobna do baterii litowo-jonowej ze stałym elektrolitem, w której katodą jest koks węglowy o składzie zbliżonym do czystego węgla.

Jednak wśród inżynierów opracowujących baterie grafenowe istnieją już dwa zasadniczo różne kierunki. W Stanach Zjednoczonych naukowcy zaproponowali wykonanie katody z przeplatanych ze sobą płyt grafenowych i krzemowych, a anody z klasycznego kobaltu litowego. Rosyjscy inżynierowie znaleźli inne rozwiązanie. Toksyczną i kosztowną sól litową można zastąpić bardziej przyjaznym dla środowiska i tańszym tlenkiem magnezu. Pojemność baterii zwiększa się w każdym przypadku poprzez zwiększenie szybkości przechodzenia jonów z jednej elektrody do drugiej. Osiąga się to dzięki temu, że grafen ma wysoką przepuszczalność elektryczną i zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego.

Opinie naukowców na temat innowacji są podzielone: ​​rosyjscy inżynierowie twierdzą, że baterie grafenowe mają dwukrotnie większą pojemność niż baterie litowo-jonowe, a ich zagraniczni koledzy twierdzą, że jest to dziesięć.

Baterie grafenowe były masowo produkowane w 2015 roku. Robi to na przykład hiszpańska firma Graphenano. Według producenta zastosowanie tych baterii w pojazdach elektrycznych w placówkach logistycznych pokazuje realne praktyczne możliwości grafenowej baterii katodowej. Pełne naładowanie zajmuje tylko osiem minut. Baterie grafenowe mogą również zwiększyć maksymalną długość ścieżki. Ładowanie przez 1000 km zamiast trzystu – to właśnie korporacja Graphenano chce zaoferować konsumentowi.

Hiszpania i Chiny

Chińska firma Chint współpracuje z firmą Graphenano, która za 18 mln euro kupiła 10% udziałów w hiszpańskim koncernie. Wspólne środki zostaną przeznaczone na budowę zakładu z dwudziestoma liniami produkcyjnymi. Projekt otrzymał już około 30 mln inwestycji, które zostaną zainwestowane w instalację sprzętu i zatrudnienie pracowników. Zgodnie z pierwotnym planem zakład miał rozpocząć produkcję około 80 milionów akumulatorów. W początkowej fazie głównym rynkiem powinny stać się Chiny, później planowano rozpoczęcie dostaw do innych krajów.

W drugiej fazie Chint jest gotowy zainwestować 350 mln euro w budowę kolejnego zakładu, który będzie zatrudniał około 5000 pracowników. Te liczby nie są zaskakujące, jeśli weźmie się pod uwagę, że całkowity dochód wyniesie około trzech miliardów euro. Ponadto znane z problemów ekologicznych Chiny otrzymają przyjazne dla środowiska i tanie „paliwo”. Jednak, jak możemy zaobserwować, poza głośnymi wypowiedziami świat nie widział nic, tylko modele testowe. Chociaż Volkswagen ogłosił również zamiar współpracy z Graphenano.

Oczekiwania i rzeczywistość

Jest rok 2017, co oznacza, że ​​Graphenano od dwóch lat zajmuje się „masową” produkcją akumulatorów, ale spotkanie z samochodem elektrycznym na drodze to rzadkość nie tylko dla Rosji. Wszystkie specyfikacje i dane publikowane przez korporację są dość niejasne. Generalnie nie wykraczają one poza ogólnie przyjęte teoretyczne koncepcje, jakie parametry powinna mieć bateria grafenowa dla pojazdu elektrycznego.

Ponadto do tej pory wszystko, co zostało zaprezentowane zarówno konsumentom, jak i inwestorom, to tylko modele komputerowe, a nie prawdziwe prototypy. Dodatkowym problemem jest fakt, że grafen jest bardzo drogim materiałem w produkcji. Pomimo głośnych wypowiedzi naukowców o tym, jak można go „wydrukować na kolanie”, na tym etapie możliwe jest obniżenie jedynie kosztów niektórych komponentów.

Grafen a rynek światowy

Zwolennicy wszelkiego rodzaju teorii spiskowych powiedzą, że nikt nie skorzysta na pojawieniu się takiego auta, bo wtedy ropa zejdzie na dalszy plan, co oznacza, że ​​zmniejszą się też dochody z jego produkcji. Jednak najprawdopodobniej inżynierowie napotkali pewne problemy, ale nie chcą tego reklamować. Słowo „grafen” jest teraz słyszalne, wielu uważa je za to, być może naukowcy nie chcą zepsuć jego sławy.

Problemy rozwojowe

Rzecz jednak może być taka, że ​​materiał jest naprawdę nowatorski, więc podejście wymaga odpowiedniego podejścia. Możliwe, że baterie wykorzystujące grafen powinny zasadniczo różnić się od tradycyjnych baterii litowo-jonowych lub litowo-polimerowych.

Jest inna teoria. Graphenano Corp. powiedział, że nowe baterie ładują się w zaledwie osiem minut. Eksperci potwierdzają, że jest to naprawdę możliwe, tylko moc zasilacza musi wynosić co najmniej jeden megawat, co jest możliwe w warunkach testowych w fabryce, ale nie w domu. Budowa wystarczającej liczby stacji benzynowych o takiej pojemności będzie kosztować dużo pieniędzy, cena jednego doładowania będzie dość wysoka, więc bateria grafenowa do samochodu nie przyniesie żadnych korzyści.

Praktyka pokazuje, że rewolucyjne technologie od dawna są wbudowywane na światowy rynek. Konieczne jest przeprowadzenie wielu testów, aby upewnić się, że produkt jest bezpieczny, dlatego wydanie nowych urządzeń technologicznych jest czasami opóźnione o wiele lat.

Naukowcy z University of Texas w Austin, kierowani przez 94-letniego profesora Johna Goodenougha, opracowali nowy typ baterii półprzewodnikowej. Co ciekawe, to właśnie John Goodenough jest jednym z twórców nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych. W 1983 roku on i jego koledzy zaproponowali użycie kobaltytu litu jako katody w akumulatorach litowo-jonowych. Nowa technologia zapewnia całkowicie półprzewodnikowy akumulator o zwiększonym bezpieczeństwie, trwałości i szybszych prędkościach ładowania niż tradycyjne akumulatory.

„Koszt, bezpieczeństwo, gęstość energii, szybkość ładowania i rozładowania oraz długowieczność to kluczowe wskaźniki dla akumulatorów w pojazdach elektrycznych, które mogą wpłynąć na ich rosnącą popularność. Wierzymy, że nasze odkrycie rozwiązuje wiele problemów związanych z nowoczesnymi bateriami ”- powiedział John Goodenough.

Nowe akumulatory mają co najmniej trzykrotnie większą gęstość energii niż nowoczesne akumulatory litowo-jonowe. W przypadku pojazdów elektrycznych oznacza to, że na jednym ładowaniu będą mogły przejechać większą odległość, a smartfony będą mogły pochwalić się dużą autonomią. Oprócz zwiększonej gęstości energii, nowe akumulatory zachowują również swoją pojemność przez większą liczbę cykli ładowania (do 1200 cykli), a ich czas ładowania liczony jest nie w godzinach, ale w minutach.

Nowoczesne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują płynne elektrolity do przenoszenia jonów litu między anodą a katodą. Zbyt szybkie ładowanie może spowodować zwarcie, któremu często towarzyszy wybuch. Naukowcy z University of Texas zamiast ciekłych elektrolitów zastosowali szklane elektrolity - pozwalają one na zastosowanie anody z metalu alkalicznego (litowej, sodowej lub potasowej) bez prawdopodobieństwa powstania dendrytów.

Kolejną zaletą stosowania elektrolitów szklanych zamiast elektrolitów ciekłych jest możliwość ich bezproblemowej pracy w temperaturach poniżej zera. Ponadto wszystkie elementy takiej baterii mogą być wykonane z materiałów przyjaznych dla środowiska.

Niestety, podobnie jak w przypadku innych obiecujących technologii do produkcji akumulatorów, nie ma mowy o komercyjnym wykorzystaniu tego opracowania.

Wynalazca akumulatorów litowo-jonowych wprowadził nowy typ akumulatora
Wynalazca akumulatorów litowo-jonowych wprowadził nowy typ akumulatora

Naukowcy z University of Texas w Austin stworzyli akumulatory półprzewodnikowe, które powinny być wydajniejszą i całkowicie bezpieczną alternatywą dla akumulatorów litowo-jonowych. Rozwój jest prowadzony przez 94-letniego wynalazcę Johna Goodenougha, który prawie trzy dekady temu był współzałożycielem akumulatora litowo-jonowego.

Jak stwierdzili eksperymentatorzy, nowy typ baterii ma trzykrotnie większą pojemność energetyczną, ładuje się szybciej, wytrzymuje temperatury do -60°C, nie wybucha w wyniku przegrzania lub uszkodzenia powłoki, a po wyrzuceniu nie szkodzi środowisku. . Jako materiał do magazynowania energii elektrycznej w takiej baterii nie wykorzystuje się rzadkiego i drogiego litu, ale tani sód, który można wydobywać z wody morskiej w taki sam sposób jak sól.

Baterie litowo-jonowe są szeroko stosowane w prawie wszystkich typach urządzeń elektronicznych. Zasada ich działania opiera się na ruchu jonów ciekłego elektrolitu między anodą a katodą. Jeśli akumulator jest ładowany zbyt szybko, w akumulatorze mogą tworzyć się „odpryski” litu, które prowadzą do zmniejszenia pojemności, zwarcia, a nawet wybuchu akumulatora. Szkło służy jako elektrolit w nowym akumulatorze Goodenough, który umożliwia stosowanie metali alkalicznych (takich jak sód lub potas) jako anody, które nie tworzą procesów. Ryzyko pożaru takiej baterii jest bliskie zeru.

„Koszt, bezpieczeństwo, gęstość energii, prędkość ładowania i żywotność baterii to kluczowe wskaźniki dla dalszego stosowania pojazdów elektrycznych. Wierzymy, że nasza technologia pomoże rozwiązać wiele problemów, na które narażone są nowoczesne akumulatory ”- skomentował John Goodenough na temat swojego wynalazku.

Goodenough nie jest pierwszą firmą, która zdecydowała się na zastąpienie płynnego elektrolitu ciałem stałym. Przed nim w podobne eksperymenty zajmowali się naukowcy z Massachusetts Institute of Technology. Użyli siarczków, ale stwierdzili, że ten materiał jest zbyt delikatny, więc oparte na nim baterie nie mogą być używane w technologii przenośnej i pojazdach elektrycznych.

Baterie litowo-jonowe są używane w elektronice od wczesnych lat dziewięćdziesiątych i prawie wyparły wszystkie inne typy baterii. Od 25 lat nie osiągnięto znaczącego przełomu w tej technologii – efektywność energetyczna takich baterii, choć rośnie, jest bardzo powolna. Ich głównym problemem jest niebezpieczeństwo wybuchu w dowolnym momencie bez wyraźnego powodu oraz stopniowa utrata nominalnej pojemności od przeładowania do całkowitego wyczerpania.

Nowy typ baterii od wynalazcy baterii litowo-jonowej
Naukowcy z University of Texas w Austin stworzyli akumulatory półprzewodnikowe, które powinny być wydajniejszą i całkowicie bezpieczną alternatywą dla akumulatorów litowo-jonowych.

Konwencjonalne akumulatory tego typu wyposażone są w katodę węglową, w której porach magazynowany jest tlen atmosferyczny pełniący rolę materiału aktywnego. Podczas wyładowania kationy litu przemieszczają się z anody litowej przez elektrolit i reagują z tlenem, tworząc (najlepiej) nadtlenek litu Li 2 O 2, który jest zatrzymywany na katodzie, a elektrony przechodzą z anody do katody przez obwód obciążenia . Zaletą próbek litowo-powietrznych nad tradycyjnymi litowo-jonowymi jest wyższa osiągalna gęstość energii.

Na wydajność akumulatorów litowo-powietrznych wpływa wiele czynników: wilgotność względna, ciśnienie parcjalne tlenu, skład elektrolitu, dobór katalizatora i ogólny układ urządzenia. Należy również wziąć pod uwagę, że produkty reakcji (Li 2 O 2) osadzone na elektrodzie węglowej blokują drogi penetracji tlenu, ograniczając wydajność. Dlatego elektroda powietrzna o optymalnej konfiguracji musi mieć zarówno mikropory, które zapewniają swobodny przepływ tlenu, jak i nanorozmiarowe wnęki, które tworzą wystarczającą gęstość miejsc dla reakcji Li-O2.

Schemat sfunkcjonalizowanego arkusza grafenowego z grupami funkcyjnymi po obu stronach i krawędziach oraz defektami sieci, które stają się energetycznie korzystnymi miejscami do wychwytywania produktów reakcji (Li 2 O 2). Defekty zaznaczone są na żółto i fioletowo, atomy węgla na szaro, tlenu na czerwono, wodór na biało. Idealna porowata struktura elektrody powietrznej jest pokazana po prawej stronie. (dalej ilustracje z magazynu Nano Letters.)

Arkusze grafenu funkcjonalizowanego otrzymane przez obróbkę cieplną tlenku grafitu wykorzystano do stworzenia nowych elektrod. Początkowy stosunek C/O tlenku wynosi około dwa, ale utrzymywanie w temperaturze 1050 ˚C tylko przez 30 s pozwala na zwiększenie go do

15 z powodu uwolnienia CO 2. Po ulotnieniu się dwutlenku węgla w arkuszach pojawiają się defekty sieci, które przyczyniają się do powstawania izolowanych nanocząstek Li 2 O 2 , które nie blokują dostępu tlenu podczas pracy akumulatora.

Przygotowane arkusze umieszczono w roztworze mikroemulsji zawierającym spoiwa. Po wysuszeniu elektroda uzyskała niezwykłą strukturę wewnętrzną, w której wyróżniają się luźno upakowane elementy w kształcie jajka. Pomiędzy nimi ułożono szerokie przejścia, a „skorupa” pierwiastków zawierała liczne nanorozmiarowe pory. Innymi słowy, konstrukcja elektrody była bliska optymalnej.

Elektrody grafenowe: powyżej - właśnie wykonane, poniżej - po rozładowaniu. Strzałki oznaczają cząstki Li 2 O 2 . Wymiary podano w mikrometrach.

W eksperymentach akumulatory litowo-powietrzne z elektrodami grafenowymi (bez katalizatora) wykazały rekordowo wysoką pojemność 15 000 mAh na gram węgla. Zauważamy, że takie wyniki osiągnięto w atmosferze czystego O2, w powietrzu pojemność znacznie spada, ponieważ woda zakłóca działanie urządzenia. Autorzy już zastanawiają się nad projektem membrany, który gwarantuje ochronę przed wodą, ale pozwoli na przepuszczanie niezbędnego tlenu.

„Chcemy również, aby bateria była w pełni ładowalna”, mówi lider zespołu Ji-Guang Zhang. „Będzie to wymagało nowego elektrolitu i nowego katalizatora, a to nas teraz interesuje”.

Krzywa rozładowania baterii litowo-powietrznej z elektrodą grafenową.

Niemcy wynaleźli baterię fluorkowo-jonową

Oprócz całej armii źródeł prądu elektrochemicznego naukowcy opracowali jeszcze jedną opcję. Jego deklarowane zalety to mniejsze zagrożenie pożarowe i dziesięciokrotnie wyższa pojemność właściwa niż akumulatory litowo-jonowe.

Chemicy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) zaproponowali koncepcję baterii opartych na fluorkach metali, a nawet przetestowali kilka małych próbek laboratoryjnych.

W takich akumulatorach za przenoszenie ładunku między elektrodami odpowiadają aniony fluoru. Anoda i katoda akumulatora zawierają metale, które w zależności od kierunku prądu (ładowanie lub rozładowywanie) są kolejno przekształcane w fluorki lub redukowane z powrotem do metali.

„Ponieważ pojedynczy atom metalu może przyjmować lub oddawać wiele elektronów jednocześnie, koncepcja ta osiąga niezwykle wysokie gęstości energii — nawet dziesięciokrotnie wyższe niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych” — mówi współautor, dr Maximilian Fichtner.

Aby przetestować pomysł, niemieccy badacze stworzyli kilka próbek takich baterii o średnicy 7 milimetrów i grubości 1 mm. Autorzy zbadali kilka materiałów na elektrody (na przykład miedź i bizmut w połączeniu z węglem) i stworzyli elektrolit na bazie lantanu i baru.

Jednak taki stały elektrolit jest tylko etapem pośrednim. Ten związek przewodzący jony fluorkowe działa dobrze tylko w wysokich temperaturach. Dlatego chemicy szukają dla niego zamiennika - płynnego elektrolitu, który działałby w temperaturze pokojowej.

(Szczegóły można znaleźć w komunikacie prasowym instytutu oraz w artykule Journal of Materials Chemistry.)

Trudno przewidzieć, co przyniesie rynek baterii w przyszłości. Baterie litowe wciąż znajdują się w czołówce i mają duży potencjał dzięki rozwojowi polimerów litowo-polimerowych. Wprowadzenie pierwiastków srebrno-cynkowych to bardzo długi i kosztowny proces, a jego celowość jest nadal kwestią dyskusyjną. Technologie ogniw paliwowych i nanorurek od wielu lat są chwalone i opisywane najpiękniejszymi słowami, ale w praktyce produkty są albo zbyt duże, albo zbyt drogie, albo jedno i drugie. Jedno jest pewne – w najbliższych latach branża ta będzie się nadal aktywnie rozwijać, ponieważ popularność urządzeń przenośnych rośnie w zawrotnym tempie.

Równolegle z notebookami nastawionymi na pracę autonomiczną rozwija się kierunek laptopów stacjonarnych, w których bateria pełni raczej rolę zapasowego zasilacza UPS. Samsung wypuścił niedawno podobny laptop bez baterii.

V NiCd-akumulatory posiadają również możliwość elektrolizy. Aby zapobiec gromadzeniu się w nich wybuchowego wodoru, baterie wyposażono w mikroskopijne zawory.

W słynnym instytucie MIT Ostatnio dzięki wysiłkom specjalnie przeszkolonych wirusów opracowano unikalną technologię produkcji baterii litowych.

Pomimo tego, że ogniwo paliwowe wygląda zupełnie inaczej niż tradycyjny akumulator, działa na tych samych zasadach.

Kto jeszcze może zaproponować obiecujące kierunki?

Wyprodukowano obiecujące elektrody grafenowe do akumulatorów litowo-powietrznych
Nadal spełniam życzenia moich przyjaciół z październikowego TABELI ZAMÓWIEŃ. Czytamy pytanie trudnopisaki: Ciekawe by wiedzieć o nowych technologiach baterii, które są przygotowywane do masowej produkcji. Cóż, oczywiście kryterium masowej produkcji jest nieco rozszerzalne, ale ...

Społeczności ›Samochody elektryczne› Blog ›Nowe akumulatory o 20-krotnie zwiększonej pojemności.

Czech Jan Prochazka stworzył rewolucyjny rodzaj baterii, której produkcja jest już gotowa na finansowanie przez największych światowych inwestorów.

Nowa bateria 3D różni się od dotychczas znanych próbek sposobem produkcji. Rzecz w tym, że w nowym akumulatorze ogniwa galwaniczne są ułożone poziomo w postaci płytek w ramie, a nie pionowo w postaci metalowych folii z aktywnymi warstwami, jak to ma miejsce w akumulatorach litowych.
Technologia ta pomaga obniżyć koszty produkcji, dzięki czemu cena w porównaniu do litu będzie niższa.

Nowa technologia tworzenia akumulatorów pozwala nie tylko zwiększyć ich pojemność co najmniej 20-krotnie, ale również zapewnia szybsze ładowanie akumulatorów.

Nowe akumulatory o ultrawysokiej pojemności są w stanie rozwiązać główny problem alternatywnych źródeł energii – długoterminowe przechowywanie zgromadzonej energii. Dodatkowo można je zastosować w pojazdach elektrycznych – w efekcie znacznie zwiększy się ich zasięg.

Patent na baterię 3D należy do firmy HE3DA, na czele której stoi twórca nowej baterii Jan Prochazk. Obecnie w swoim warsztacie w Letniaanach wyprodukował 160 egzemplarzy.

Wynalazek Czecha przyciągnął ogromną liczbę dużych inwestorów z Niemiec i Słowacji. Najciekawsza była jednak propozycja prywatnego chińskiego inwestora-miliardera Hu Yuanpinga.

Chińczycy złożyli bezzwrotną kaucję w wysokości 5 mln euro i są gotowi zapłacić kolejne 50 mln euro za 49% udziałów w HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Ale hojność chińskiego miliardera też się na tym nie kończy, w przyszłości planuje zainwestować kolejne 50 milionów euro, jeśli projekt się sprawdzi.

Pierwsza fabryka do produkcji baterii 3D powstanie na północy Moraw w miejscowości Horní Sucha, a później masowa produkcja zostanie zorganizowana również w Chinach.

Wynalazek Prochazki nie tylko sprawi, że magazynowanie energii pozyskiwanej z elektrowni wiatrowych i słonecznych będzie efektywniejsze, ale może być również wykorzystywane w pojazdach elektrycznych, co zwiększy ich popularność.

* negatywny kontroler dołączony do komentarzy

Społeczności ›Samochody elektryczne› Blog ›Nowe akumulatory o 20-krotnie zwiększonej pojemności
Tagi: bateria 3d, rewolucyjny typ baterii, he3da. Czech Jan Prochazka stworzył rewolucyjny rodzaj baterii, której produkcja jest już gotowa na finansowanie przez największych światowych inwestorów. Nowa bateria 3D różni się od dotychczas znanych próbek sposobem produkcji. Rzecz w tym, że ogniwa galwaniczne w nowym akumulatorze znajdują się poziomo.