Графеновая революция или как графен изменит будущее

Графен – будущее аккумуляторных батарей 

Дорогие читатели, вы когда-нибудь задумывались над тем, что нынешняя литиевая технология аккумуляторных устройств дошла до своего предела? Вы когда-нибудь задумывались о том, что для современных технологических решений потенциала лития не достаточно? Не задумывалась? А мы подумали над этим! В этой статье мы поговорим о графене – материале, который в ближайшем будущем придет литию на замену. 

Почему литий – это прошлое?

Литий-ионный аккумулятор имеет множество недостатков, несмотря на то, что он сейчас невероятно распространен: 

• небольшой ресурс циклов заряда-разряда (до 1000);
• саморазряд при комнатной температуре до 10% за год;
• высокая температура сокращает срок эксплуатации;
• медленная зарядка;
• малый пиковый ток до 10С (13 Ампер);
• при взаимодействии с кислородом может загореться и взорваться.

Как вы думаете: почему Apple не кладет к своим смартфонам зарядные устройства более 5 Вт? А потому, что чем быстрее будет заряжаться аккумулятор, тем больше он будет нагреваться. Именно высокие температуры приводят к уменьшению циклов и объема аккумулятора, а Apple старается заботиться о сроке службы своих гаджетов, поэтому это жертва ради более долгой эксплуатации смартфонов.  

Что такое графен?

Графен – одна из аллотропных форм углерода с гексагональной структурой. Графен был открыт в 2004 Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета. За это открытие Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией по физике в 2010 году.

Еще в конце 1980-х годов член-корреспондент НАН Украины Владимир Литовченко с сотрудниками исследовал появление запрещенной зоны в деформированных ультратонких графитовых пленках (которые теперь принято рассматривать как многослойный графен).

Только представьте себе невероятно легкую пластину толщиной в атом, которая в 200 раз крепче стали. Только этим удивительные свойства графена не ограничиваются. Графен также может быть гибким, прозрачным, а его электропроводность превышает электропроводность меди. Простыми словами: графен – это углеродная пленка толщиной в 1 атом, которая сделана из того же материала, что и обычные графитовые карандаши. 

Если составить 3 миллиона листов графена, то можно получить толщину около 1 мм. 

Как графен изменит будущий мир гаджетов 

Уже сегодня на рынке представлены некоторые товары, содержащие в себе графеновые элементы. Например, всем известные наушники Xiaomi Mi Pro HD. В их структуре используются графеновые мембраны. Разработчики утверждают, что такие мембраны идеально передают мельчайшие детали звучания.

Наушники Xiaomi Mi Pro HD 

В ноябре 2017 года Samsung Electronics объявила о разработке новых аккумуляторов для смартфонов, которые смогут заряжаться всего за 12 минут, в отличие от обычных, которые заряжаются около часа-двух. Также компания Samsung занимается исследованиями, которые направлены на упрощение производства графена. Считается, что это приведет к появлению электроники миниатюрных размеров. Специалисты компании работают над созданием мобильных телефонов размером с банковскую пластиковую карточку. Графен может заменить кремний, используемый при производстве микросхем, который существенно ограничивает габариты микросхем.  

Сегодня для производства прозрачных сенсорных дисплеев используется индий-оловянный оксид (ITO). У этого материала есть недостаток – он очень хрупкий. Графен этого недостатка лишен.

На основе графена созданы сверхчувствительные сенсоры, биосенсоры, миниатюрные конденсаторы высокой емкости, модуляторы излучения, прозрачные сенсорные экраны с диагональю более 80 см, компания IBM создала транзисторы на основе графена с быстродействием в 100 ГГц.

Графеновый аккумулятор для электрокара

Основные старания разработчиков направлены на создание больших аккумуляторов для электро-транспорта. На данный момент автомобильный пробег на одной зарядке модели Tesla Model S составляет 800-1000 км, а скорость зарядки 10-12 минут.

Производство графеновых аккумуляторов перспективное. Именно такого емкого и быстро заряжающего источника энергии не хватает для развития электромобилей. Важно и то, что весит новый аккумулятор в 2 раза меньше литий-ионных батарей. Его механические свойства идеально вписываются в условия эксплуатации машин. Графен в 200 раз прочнее стали и более эластичный. Первые графеновые аккумуляторы для автомобилей уже проходят испытания: батарея для электромобиля способна уменьшить полную зарядку до 3-5 мин.

Недостатки графена 

Недостаток графена заключается в том, что его очень сложно производить. До сих пор ученым удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах. Самый большой размер графита, созданного человеком – не больше, чем размер кредитной карточки. До недавнего времени ученые даже не могли изготовить его за пределами лаборатории. 

Для того чтобы сделать кусок графена размером с кредитную карточку, ученные подогревают масло сои до 800 C на листе из никеля. Это заставляет углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Однако это пока никак не решает проблему масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была решена несколько лет назад. Мы думаем, что в скором будущем человечество решит и эту задачку.  

Выводы 

Подытоживая все вышенаписанное и учитывая все преимущества и недостатки этого материала можно сказать только одно – графен является материалом будущего, который улучшит почти все электронные гаджеты. Литий в ближайшие годы еще останется на верхушке, но время новой технологии уже почти наступило. Те нововведения, которые придут к нам вместе с графеном, принесут улучшения абсолютно по всем параметрам. Кроме всего прочего, он имеет менее негативное влияние на окружающую среду, так как всем известно, что литий при его неправильной утилизации наносит вред нашей планете не меньше, чем добыча нефти или газа, поэтому пришло время это изменить. 

Графеновая революция видео