Понимание графена и его роль в батареях
Что такое графен?
Графен представляет собой двух - размерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенного в шестиугольной решетке. Обнаруженный в 2004 году, с тех пор он поразил научное сообщество своими необычайными свойствами. Это самый тонкий, самый сильный и самый электрически и термически проводящий материал, известный на сегодняшний день. Его единственная - толстая структура дает ему большую площадь поверхности, что имеет решающее значение для многих применений, особенно в хранении энергии.
Как графен улучшает производительность батареи
В контексте батарей графен можно использовать несколькими способами для повышения производительности. При использовании в качестве добавки в электродных материалах графен может улучшить электрическую проводимость. Например, в литий -ионных батареях традиционные углеродные проводящие добавки, такие как углеродные черные, имеют “точка - до - точка” контактный режим. Графен, с другой стороны, может создать “плоскость - до - точка” Контактный режим, формируя более эффективную проводящую сеть. Это обеспечивает значительное снижение количества не активных углеродных проводящих агентов, тем самым увеличивая плотность энергии объема батареи.
Кроме того, высокая площадь поверхности графена может обеспечить более активные участки для электрохимических реакций. Например, в литиевых батареях - использование графена может помочь в закреплении видов серы, предотвращая SO - “Эффект трансфера” где полисульфиды растворяются в электролите и вызывают потерю емкости. Это приводит к улучшению плотности энергии батареи и срока службы цикла.
Принцип работы графеновых батарей
Сходства и различия с традиционными батареями
Графеновые батареи, такие как традиционные батареи, такие как свинец - кислотный и литий -ионный батареи, работают на основе движения ионов между положительными и отрицательными электродами во время зарядки и разрядки. В типичной литий -ионной аккумуляторе ионы лития перемещаются от отрицательного электрода (обычно графит) к положительному электроду во время зарядки и обратно во время разрядки.
В графене - улучшенной батареи, в то время как основной принцип ионного движения остается прежним, наличие графена изменяет электрод -ионное взаимодействие. Например, если графен используется в качестве покрытия на электроде или как часть материала электрода, ионы лития могут двигаться более свободно из -за превосходной электрической проводимости графена. Это приводит к более быстрой зарядке и сбросам по сравнению с традиционными батареями.
Ионные механизмы транспортировки и хранения энергии
Во время зарядки ионы движутся к отрицательному электроду. В отрицательном электроде на основе графена большая площадь поверхности графена позволяет адсорбировать и хранить больше ионов. Уникальная атомная структура графена также обеспечивает быстрый ионный перенос, снижая сопротивление внутри батареи. В результате батарея может заряжаться быстрее.
При разряде хранимые ионы возвращаются к положительному электроду, выпуская электрическую энергию в процессе. Эффективный ионный перенос в батареях на основе графена гарантирует, что энергия может быть доставлена с высокой скоростью, что делает их подходящими для применений, которые требуют высокой выходной мощности, таких как электромобили и высокая производительная электроника.
Преимущества графеновых батарей
Высокая плотность энергии
Одним из наиболее значительных преимуществ графеновых батарей является их высокая плотность энергии. Плотность энергии определяется как количество энергии, которое можно хранить на единицу объема или массы аккумулятора. Графен - улучшенные батареи могут потенциально достигать гораздо более высокой плотности энергии по сравнению с традиционными литий -ионными батареями. Например, некоторые исследования показывают, что литий -серная батареи с графеновыми добавками могут иметь плотность энергии в несколько раз выше, чем обычные литий -ионные батареи. Это означает, что для того же размера или веса батареи батарея на основе графена может хранить больше энергии, что имеет решающее значение для таких применений, как электромобили, где более длительный диапазон является ключевым требованием.
Быстрая возможность зарядки
Графеновые батареи также известны своими возможностями быстрого зарядки. Из -за превосходной электрической проводимости графена и его способности облегчить перенос ионов, эти батареи могут быть заряжены гораздо быстрее, чем традиционные аналоги. В некоторых экспериментальных моделях батареи на основе графена могут быть заряжены до 80% их емкости всего за несколько минут. Это игра - изменение для владельцев электромобилей, так как она значительно сокращает время зарядки и делает электромобили более удобными в использовании, сравнимым со временем, которое требуется для заправки бензина - мощного автомобиля.
Длинный цикл жизни
Срок службы цикла аккумулятора относится к количеству циклов заряда - разгрузки, которые он может пройти до того, как его емкость значительно ухудшится. Батареи на основе графена часто демонстрируют более длительный срок службы цикла. Стабильная структура графена помогает в поддержании целостности электродных материалов во время повторного цикла заряда - разгрузки. Например, в литий -ионных батареях с графеном - модифицированными электродами графен может предотвратить образование дендритов (крошечная игла - как конструкции, которые могут вызывать короткие цепи и сокращать срок службы батареи) на отрицательном электроде. Это приводит к аккумулятору, которую можно заряжать и разряжать тысячи раз без значительной потери мощности, увеличивая общую продолжительность жизни и снижая необходимость в частых заменах.
Легкий дизайн
Графен - чрезвычайно легкий материал. При включении в конструкции батареи это может помочь уменьшить общий вес батареи. В таких приложениях, как электромобили и аэрокосмическая промышленность, где вес является критическим фактором, более легкая батарея может привести к повышению энергоэффективности. Например, более легкий электромобиль требует меньше энергии для перемещения, что, в свою очередь, может увеличить его диапазон или снизить потребление энергии. Это легкое преимущество графеновых батарей также делает их подходящими для портативной электроники, где снижение веса устройства при сохранении высокопроизводительной работы батареи очень желательно. Применение графеновых батарей
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕПОРЯЗИ
Индустрия электромобилей (EV) может получить огромную выгоду от технологии графеновых аккумуляторов. Высокая плотность энергии графеновых аккумуляторов может значительно увеличить диапазон емкость EV. Благодаря текущему литие - ионным батареям, тревога диапазона (страх заканчивая батареи до достижения зарядной станции) является серьезной проблемой для многих потенциальных покупателей EV. Аккумуляторы, основанные на графене, могут облегчить эту проблему, позволяя электромобилям проходить гораздо большие расстояния по одной зарядке.
Кроме того, способность быстрого зарядки батарей для графена может сократить время зарядки на общественных зарядных станциях. Это не только улучшает пользовательский опыт, но и делает EVS более практичными для долгого путешествия. Например, длинная - расстояние EV, которое в настоящее время требует часов зарядки, может быть завершено с гораздо более короткими перерывами за зарядки с использованием graphene - аккумуляторных транспортных средств. Портативная электроника В мире портативной электроники, такой как смартфоны, планшеты и ноутбуки, потребители постоянно требуют дольше - длительное время и более быстрое время зарядки. Графеновые батареи могут удовлетворить эти требования. Смартфон, оснащенный графеновой батареей, может потенциально длиться несколько дней на одном заряде благодаря высокой плотности энергии. Более того, функция Fast - зарядка будет означать, что пользователи могут быстро заряжать свои устройства во время короткого перерыва, например, во время перерыва в кофе или в ожидании общественного транспорта. Это устранило бы необходимость переносить громоздкие силовые банки и улучшит общее удобство использования портативной электроники.
Возобновляемая энергия хранение
По мере того, как мир все чаще превращается в возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, необходимость эффективных систем хранения энергии становится решающей. Солнечные панели генерируют электричество в течение дня, и ветряные турбины производят энергию, когда ветер дует, но эта энергия должна храниться для использования в периоды, когда солнце не светит или ветер не дует. Графеновые батареи, с их высокой плотностью энергии и длительным сроком службы цикла, хорошо подходят для этого применения. Они могут хранить большое количество энергии, генерируемой из возобновляемых источников, и при необходимости выпускать ее, помогая стабилизировать энергосистему и обеспечить непрерывную подачу электроэнергии.
Аэрокосмическая и защита
В аэрокосмической и защитной секторах, где вес, плотность энергии и надежность имеют первостепенное значение, графеновые батареи дают значительные преимущества. В самолетах более легкая и более энергия - плотная батарея может снизить общий вес самолета, что приведет к повышению эффективности использования топлива или повышению грузоподъемности. В беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) батареи графена могут обеспечить более длительное время полета, что имеет решающее значение для наблюдения и разведывательных миссий. В оборонной промышленности длительный велосипедный срок службы и быстрые возможности зарядки графеновых батарей могут обеспечить, чтобы военное снаряжение, такое как портативные устройства связи и электрические системы оружия, всегда готовы к использованию.
Новости и события рынка
Недавние прорывы в исследовании графеновых аккумуляторов
В последние годы было проведено несколько заметных прорывов в исследованиях графеновых аккумуляторов. Например, исследователи в ведущем университете разработали новый метод для производства высокого качества графена при более низких затратах. Этот новый метод производства включает в себя модифицированный процесс осаждения химического пара, который позволяет крупномасштабному производству дефекта - свободный графен. Это значительный шаг вперед, так как высокая стоимость производства графена была одним из основных барьеров для широкого распространения графеновых батарей. Другим прорывом является разработка нового типа электродного материала на основе графена для литий -ионных батарей. Этот материал показал значительное увеличение плотности энергии и срока службы цикла в лабораторных испытаниях. Новый электродный материал состоит из уникальной комбинации графеновых нанолистов и других металлических наночастиц оксида, которые работают вместе для повышения производительности батареи.
Усилия по коммерциализации ведущих компаний
Многие компании по всему миру активно работают над коммерциализацией графеновых батарей. Один скромный производитель аккумуляторов объявил о планах по созданию крупномасштабного производственного объекта для графена - улучшенных литий -ионных батарей. Компания утверждает, что ее батареи на основе графена обеспечат увеличение плотности энергии на 30% по сравнению с текущими литий -ионными аккумуляторными продуктами. Ожидается, что новая производственная установка начнет эксплуатацию в течение следующих двух лет, и компания стремится поставлять эти батареи на рынки электрон и портативную электронику.
В автомобильной промышленности крупный производитель автомобилей вступил в партнерские отношения с стартапом Graphene Research. Обе компании сотрудничают для разработки графена - технологии батареи специально для электромобилей. Производитель автомобилей надеется использовать эти батареи в своих следующих моделях генерации, которые, как ожидается, будут предлагать значительно более длительный срок и более быстрое время зарядки. Это партнерство рассматривается как значительный шаг к выводу электромобилей с графеном - батареи на массовом рынке.
Тенденции рынка и прогнозы
Ожидается, что на мировом рынке графеновых аккумуляторов в ближайшие годы будет значительный рост. Согласно недавнему отчету об исследовании рынка, к концу десятилетия размер рынка графеновых аккумуляторов достигнет миллиардов долларов. Растущий спрос на электромобили, вызванный государственной политикой по сокращению выбросов углерода и растущей осведомленностью о экологических проблемах, является одним из основных факторов, способствующих этому росту.
Спрос на высокопроизводительные батареи в портативной электронике и возобновляемой энергии хранения энергии также способствует росту рынка графеновых аккумуляторов. Поскольку все больше компаний инвестируют в исследования и разработки для улучшения технологии батареи графена и снижения производственных затрат, рынок, как ожидается, будет быстро расширяться. Тем не менее, такие проблемы, как высокая начальная стоимость производства и необходимость дальнейших технологических улучшений, все еще необходимо преодолеть для графеновых батарей для достижения своего полного рыночного потенциала.
Проблемы и ограничения
Высокие производственные затраты
Одной из основных проблем, с которыми сталкивается широко распространенное принятие графеновых батарей, является высокая стоимость производства графена. В настоящее время методы производства для высокого качества графена, такие как методы химического отложения и отшелушивания, являются сложными и требуют дорогого оборудования и материалов. Эта высокая стоимость затем переходит к конечному продукту, что делает графеновые батареи дороже, чем традиционные литий -ионные батареи. Чтобы сделать графеновые батареи более конкурентоспособными на рынке, исследователям и производителям необходимо разработать больше затрат - эффективные методы производства.
Технические препятствия в массовом производстве
Масштабирование производства графеновых батарей в коммерческую масштаб также создает несколько технических проблем. Обеспечить постоянное качество графена в крупных масштабных производственных партиях сложно. Существуют также проблемы, связанные с интеграцией графена в существующие процессы производства батареи. Например, в некоторых случаях добавление графена к электродным материалам может вызвать проблемы с процессами покрытия и сушки во время производства батареи. Преодоление этих технических препятствий будет иметь решающее значение для успешного массового производства графеновых батарей.
Отсутствие стандартизации
В новом поле графеновых аккумуляторов в настоящее время отсутствует стандартизация с точки зрения спецификаций продукта, методов тестирования и правил безопасности. Это отсутствие стандартизации затрудняет для потребителей сравнение различных графеновых продуктов на рынке. Он также создает проблемы для производителей с точки зрения обеспечения соответствия и регуляторов с точки зрения установления соответствующих стандартов безопасности и качества. Разработка комплексного набора стандартов для графеновых батарей будет необходима для содействия здоровой конкуренции на рынке и обеспечения безопасности потребителей.
Заключение
Графеновые батареи представляют собой значительный прогресс в технологии хранения энергии. Благодаря их высокой плотности энергии, быстрому - возможностям зарядки, сроком службы длительного цикла и легким дизайном, они могут трансформировать несколько отраслей промышленности, включая электромобили, портативную электронику, хранение возобновляемых источников энергии и аэрокосмическую. Несмотря на то, что все еще существуют проблемы, такие как высокие затраты на производство и технические препятствия в области массового производства, недавние прорывы в исследованиях и растущие усилия по коммерциализации ведущими компаниями являются многообещающими признаками. Поскольку рынок графеновых батарей продолжает расти, ожидается, что дальнейшие технологические улучшения будут сделаны, и производственные затраты снизится. Это сделает графеновые батареи более доступными и конкурентоспособными, что в конечном итоге приведет к более устойчивому и эффективному энергетическому будущему. Независимо от того, являетесь ли вы инвестором, ищет следующую большую возможность в энергетическом секторе, инженера, работающего над технологией батареи, или потребителя, заинтересованного в новейших в высоких показателях электроники и электроники, следя за разработкой технологии графеновых аккумуляторов, определенно стоит.
Карта сайта