Grafenová baterie: vlastnosti, aplikace a výroba

Baterie na bázi grafenu se aktivně používají v různých komerčních aplikacích. Zlepšení výkonu a výhoda životního cyklu baterií na bázi grafenu oproti konvenčním lithium-iontovým bateriím se vyplácí. Společnost Tesla Motors Elona Muska je známým příkladem inovativních společností aktivně zapojených do výzkumu a komercializace grafenových baterií.

Co je grafenová baterie

Grafen – je všeobecně známý jako „zázračný materiál“ díky mnoha úžasným vlastnostem, které obsahuje. Je to silný vodič elektrické a tepelné energie, extrémně lehký a ohebný s velkým povrchem. Je také považován za ekologický a udržitelný s neomezenými možnostmi pro četné aplikace.

Zajímavé vědět! Grafenové baterie by mohly snížit dopad baterií na životní prostředí.

Grafen je všestranná molekula s mnoha jedinečnými a žádoucími vlastnostmi a lze ji použít mnoha různými způsoby, protože pro její použití neexistuje univerzální řešení. Používá se ke zlepšení mnoha výhod, které jsou již přítomny u konvenčních materiálů, ale také pomáhá překonat předchozí omezení baterií, což vede k prodloužení životnosti nebo výkonu baterie.

Jak probíhá výroba

Použitelnost anorganických sloučenin na bázi grafenu lze dosáhnout mnoha způsoby. S vývojem nových technologií se často vynalézají a následně používají nové metody. U jakékoli metody existuje vždy několik způsobů, jak samotný materiál syntetizovat. Bylo by nepraktické popsat každý z nich, proto zde bude diskutována jedna konkrétní metoda. Čistá elektroda na bázi grafenu se připraví disperzí prášku oxidu grafenu (100 mg) v destilované vodě (30 ml) a sonikací po dobu 30 minut. Výsledná suspenze se zahřeje na horké desce na 100 °C a poté se přidají 3 ml hydrazinhydrátu. Suspenze se udržuje při 98 °C po dobu 24 hodin, aby se oxid grafenu zredukoval. Redukovaný oxid grafenu lze sebrat filtrací, čímž se získá černý prášek. Filtrovaný prášek se poté několikrát promyje destilovanou vodou, aby se snížil přebytečný hydrazin. Prášek grafenu se redisperguje ve vodě pomocí ultrazvuku a výsledný roztok se poté centrifuguje při 4000 3 ot/min po dobu XNUMX minut, aby se odstranily větší částice. Grafen se sebere vakuovou filtrací a suší se ve vakuu. Společnosti ve Velké Británii, Rusku, Španělsku, USA a Jižní Koreji jej vyrábějí v průmyslovém měřítku.

Princip činnosti a zařízení

Princip fungování a konstrukce grafenových baterií jsou podobné tradičním bateriím, které používají dvě elektrody a roztok elektrolytu pro usnadnění přenosu iontů. Hlavní rozdíl mezi bateriemi na bázi grafenu a polovodičovými bateriemi spočívá ve složení jedné nebo obou elektrod. Změna spočívá hlavně v katodě, ale je také možné použít uhlíkové alotropy v anodě. Katoda v konvenční baterii je vyrobena výhradně z polovodičových materiálů, ale v grafenové baterii se jako katoda používá kompozitní hybridní materiál.

Specifikace a funkce

V oblasti baterií se konvenční materiály výrazně zlepšují použitím grafenu. Hořčíkovo-grafenové baterie mohou být lehké, odolné a vhodné pro vysokokapacitní ukládání energie a zkrácení doby nabíjení. Zvyšují vodivost, aniž by vyžadovaly množství uhlíku používaného v konvenčních bateriích. Grafen může různými způsoby zlepšit vlastnosti baterií, jako je hustota energie a tvar. Lithium-iontové baterie (a další typy baterií) lze vylepšit začleněním grafenu do anody baterie a využitím vodivosti materiálu k dosažení morfologické optimalizace a výkonu.

Důležité! Vodivost baterií na bázi grafenu je ve srovnání s jinými polovodičovými materiály výrazně vyšší.

Bylo také zjištěno, že vytváření hybridních materiálů může být užitečné pro zlepšení výkonu baterií. Například hybrid oxidu vanadu VO2 a grafenu lze použít na lithium-iontových katodách, což umožňuje rychlé nabíjení a vybíjení a také delší životnost nabíjecích cyklů. V tomto případě má VO2 vysokou energetickou kapacitu, ale špatnou elektrickou vodivost, což lze řešit použitím grafenu jako jakéhosi strukturálního „základu“, na který se VO2 připojí – čímž se vytvoří hybridní materiál, který má jak zvýšenou kapacitu, tak vynikající vodivost.

Výhody a nevýhody

• Čistota prostředí.
• Vysoká specifická kapacita.
• Vysoká vodivost.
• Rychlé nabíjení.
• Technická trvanlivost.

Jedinou nevýhodou baterie je, že je produkt poměrně velký. Z tohoto důvodu je v současné době nelze instalovat do miniaturních zařízení (například telefonů).

Kde se používají grafenové baterie?

Baterie na bázi grafenu mají vzrušující potenciál a ačkoli ještě nejsou plně dostupné, výzkum a vývoj probíhá intenzivně. Používá je mnoho známých společností.

V srpnu 2014 společnost Tesla navrhla vývoj nové technologie baterií, která by pro její model elektromobilu měla téměř dvojnásobný výkon.

Pokud jde o telefony, v listopadu 2016 společnost Huawei představila novou lithium-iontovou baterii s grafenovým povlakem, která dokáže zůstat funkční i při vyšší teplotě (60 °C oproti současnému limitu 50 °C) a nabízí delší výdrž baterie.

V prosinci 2018 indická společnost Log 9 Materials oznámila, že pracuje na novém projektu, který by teoreticky mohl vést k elektrickým vozidlům poháněným vodou.

Technologické perspektivy

Podle vědců z populárních společností je účinnost nejnovějších baterií mnohem vyšší než u tradičních produktů. Navíc doplňují energii mnohem rychleji (během několika minut).

Tato technologie způsobí revoluci ve vývoji elektromobilů, výrobě chytrých telefonů, ale i notebooků a tabletů.

Máte dotazy nebo chcete něco dodat? Pak nám o tom napište do komentářů, díky tomu bude materiál užitečnější, úplnější a přesnější.