Чудесный материал, преобразующий накопление энергии

Материал, обнаруженный менее двух десятилетий назад, может стать ключом к более безопасным, быстро заряжаемым и легким батареям, которые питают электронные устройства, электромобили и стационарные накопители энергии. С тех пор, как в 2004 году исследователи из Манчестерского университета в Великобритании впервые выделили «сверхматериал» графен, все большее число стартапов, производящих графен, разрабатывают аккумуляторные технологии, которые, как утверждают компании, откроют будущее устройств быстрой зарядки и электромобилей (EV) с более высокой энергетической емкостью и без риска перегрева.

Графен имеет толщину всего в один атом. Это сверхпроводник электричества и тепла, и очень легкий. Он более чем в 100 раз прочнее стали, но при этом в 6 раз легче. Графен замедляет процесс нагрева в литиевых батареях и позволяет до пяти раз быстрее заряжаться. По словам одного из стартапов, работающих с графеном, Real Graphene, благодаря низкому удельному сопротивлению графен равномерно проводит тепло через батарею, помогая ей охлаждаться.

Графен еще не используется в электромобилях или стационарных системах хранения, но разработчики материалов и технологий, связанных с ним, говорят, что этот сверхматериал из-за своих механических свойств обещает создание более мощных, безопасных и быстро заряжаемых аккумуляторов. 

Исследователи из Манчестерского университета считают, что графен может использоваться не только в бытовой электронике, но также в электромобилях и накопителях солнечной и ветровой энергии. Разработка графеновых суперконденсаторов может помочь в создании высокопроизводительных электрических суперкаров. Поскольку графеновые суперконденсаторы легкие, они также могут снизить вес автомобилей или самолетов, по словам университета, который также изучает вместе со своими коммерческими партнерами потенциал графена в сетевых приложениях и хранении энергии ветра или солнца. 

В последнее время стартапы ускорили разработку графена и его внедрение в батареи. 

Например, производитель графена из Лос-Анджелеса Nanotech Energy заявила в прошлом году, что она разработала и масштабировала процесс производства графена с более чем 90 процентами монослоев его содержания — самой чистой формы графена, доступной для массового производства. 

В 2020 году компания также выпустила запатентованную негорючую высокопроизводительную батарею, готовую к коммерциализации. 

«Мы усовершенствовали батарею, используя исключительные электронные и механические свойства графена для увеличения емкости батареи. Чтобы еще больше повысить безопасность литий-ионных аккумуляторов, мы сделали еще один шаг, разработав негорючий электролит, который может выдерживать работу при высоких температурах без возгорания», — говорит Махер Эль-Кади, соучредитель и технический директор Nanotech Energy. 

«Большинство отраслей и конечные пользователи ограничены технологиями литий-ионных аккумуляторов, от производителей смартфонов и ноутбуков до производителей автомобилей и потребителей в целом», — сообщает д-р Джек Кавано, председатель и главный исполнительный директор Nanotech Energy. 

«Nanotech Energy теперь предлагает всем этим отраслям промышленности путь к безопасной и более мощной технологии аккумуляторов, что меняет правила игры», — добавил Кавано. 

Graphene Batteries of Norway разрабатывает технологию литий-серных (LiS) аккумуляторов, усиленную производными графена. Компания разработала серный катод на основе запатентованного метода и нацелена на стационарные системы хранения энергии как одну из областей применения своей технологии.

Американская компания NanoGraf разрабатывает кремний-графеновые анодные материалы, которые обеспечивают более длительный срок службы и более быструю зарядку аккумуляторов. NanoGraf считает, что нынешние химические составы литий-ионных аккумуляторов достигли плато в улучшении производительности. Компания заявляет, что ее структура анода из кремниевого сплава и графенового материала может быть настроена для достижения в 3-6 раз большей емкости по сравнению с нынешними анодами на основе графита. 

Электромобили с аккумуляторами, содержащими графен, потребуют не менее четырех лет дополнительных исследований и испытаний, рассказал в конце прошлого года Чип Брейтенкамп, ученый-полимерщик и вице-президент по развитию NanoGraf. Компания уверена, что ее технология подойдет для электромобилей, но она знает, что потребуется еще несколько лет, чтобы получить одобрение.

Графен — прекрасный материал для батарей, считает Брейтенкамп, добавив, и «по сути, графен может играть центральную роль в обеспечении устойчивого электрического будущего». 

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ