Графеновые батареи в электромобилях

Батареи, используемые в настоящее время в электромобилях
Системы накопления энергии, такие как батареи, играют решающую роль в электромобилях, гибридных электромобилях с подключаемым модулем (PHEV) и гибридных электромобилях (HEV). В электромобилях аккумуляторы действуют как единственный источник энергии, в котором хранится электрическая энергия. Основные типы батарей, которые в настоящее время используются в электромобилях, гибридных автомобилях и гибридных автомобилях в качестве систем хранения энергии, включают литий-ионные батареи, никель-металлгидридные батареи, свинцово-кислотные батареи и ультраконденсаторы.

Среди них литий-ионные аккумуляторы наиболее широко используются в электромобилях благодаря их высокой энергоэффективности, высокому соотношению мощности к весу, хорошим характеристикам при высоких температурах и лучшему соотношению энергии на единицу веса по сравнению с другими системами хранения энергии, что является чрезвычайно важный фактор для батарей EV. Меньший вес батареи означает больший пробег для электромобилей на одной зарядке.

Однако высокая температура, развивающаяся во время работы аккумуляторов, высокая стоимость производства и проблемы, связанные с утилизацией разряженных аккумуляторов, являются основными недостатками литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, в последние годы акцент сместился на графеновые батареи как системы хранения энергии для электромобилей. 

Что такое графен?
Графен называют двумерной (2D) структурой графита, в которой один плоский слой атомов углерода организован в поддерживающую сотовую решетку. Хотя графен можно получить несколькими способами, химическое осаждение из газовой фазы с усилением плазмы (PE-CVD) является наиболее подходящим методом для производства графена.

Основные преимущества метода PE-CVD включают более низкие рабочие температуры подложки и рост без переноса и катализатора. В PE-CVD специальная смесь газов, включая углерод, нагревается до плазмы, которая создает слой графена на медной или никелевой пластине. Затем из пластины извлекают графен.

Технологии и типы графеновых аккумуляторов
На основе графена может быть разработан ряд технологий и типов аккумуляторов. Наиболее перспективными среди них являются литий-металлические твердотельные батареи, твердотельные батареи, суперконденсаторы, свинцово-кислотные батареи с графеном, графеновые натрий-ионные батареи, графеновые алюминий-ионные батареи и графеновые литий-ионные батареи. Преимущества графеновых аккумуляторов
Похожие истории
Исследование переноса электронов в узорчатом графене
Долгосрочное старение оксида графена
Термодинамика многослойного графена под влиянием парных графеновых структур
Материалы на основе графена обладают высокой пористостью и большей площадью поверхности, а также чрезвычайно прочны и легки. Кроме того, эти материалы обладают высокой способностью к зарядке и гибкостью, а также являются хорошими проводниками тепловой и электрической энергии, что делает их подходящим материалом для хранения энергии.

Высокая электропроводность графена увеличивает плотность электродов и ускоряет химическую реакцию внутри батареи, что обеспечивает большую передачу энергии и более высокую скорость зарядки при меньшем выделении тепла. Графен также подвергается меньшей деградации по сравнению с литием, обеспечивая при этом улучшенную производительность, что существенно продлевает срок службы аккумуляторов электромобилей. Кроме того, графеновые батареи также экономичны и устойчивы по сравнению с другими батареями для электромобилей.

Внедрение графеновых аккумуляторов в электромобили
Ожидается, что среди различных технологий и типов аккумуляторов на основе графена графеновые литий-ионные аккумуляторы будут внедрены в ближайшие 1-3 года, твердотельные аккумуляторы - в течение следующих 4-8 лет, а графеновые суперконденсаторы - в течение 10 лет. Графеновые натрий-ионные и графеновые алюминий-ионные батареи потенциально могут заменить литий-ионные батареи, поскольку они намного дешевле и легче перерабатываются, а натрий и алюминий более распространены в природе по сравнению с литием.

Графеновые алюминий-ионные батареи могут стать основными батареями электромобилей в будущем, поскольку графеновые алюминиевые элементы могут заряжаться в 60 раз быстрее по сравнению с литий-ионными элементами и удерживать значительно больше энергии, чем элементы из чистого алюминия. Например, графеновые алюминий-ионные элементы могут заряжать батарейку типа АА в течение минуты, а батарейку типа «таблетка» — за 10 секунд.

Ограничения графеновых батарей
Существуют определенные ограничения, связанные с батареями на основе графена, несмотря на их преимущества в качестве систем накопления энергии в электромобилях. Наиболее заметным ограничением является отсутствие технологий массового производства высококачественных графеновых аккумуляторов. В настоящее время себестоимость производства 1 кг графена колеблется от десятков до тысяч долларов, что значительно выше по сравнению с себестоимостью производства активированного угля в 15 долларов за килограмм.

Кроме того, толщина материалов на основе графена часто ограничивается микрометрами, что существенно ограничивает общую емкость аккумулятора. Кроме того, графеновые батареи обычно демонстрируют плохое сохранение емкости, чрезвычайно высокие потери в первом цикле на уровне 50-60% и низкую эффективность цикла на уровне 95-98% при высокой плотности тока.

Кроме того, графен нельзя отключить, так как у него отсутствует запрещенная зона, а это означает, что в материале нет места, где бы не существовало электронов. Таким образом, искусственная запрещенная зона должна быть создана в графене, чтобы решить эту проблему. 

Потенциал графеновых батарей в электромобилях
Хотя использование графеновых батарей в электромобилях в настоящее время возможно, они еще не поступили в продажу, поскольку требуются дополнительные исследования для разработки методов массового производства и дальнейшего определения практических возможностей материала. Несколько компаний проявили интерес к графеновым батареям для электромобилей.

Например, Nanotech Energy недавно получила финансирование от финансового холдинга Fubon для разработки аккумуляторов с усиленным графеном для электромобилей, в то время как испанская компания Graphenano сотрудничала с китайским игроком для разработки аккумулятора на основе графенового полимера, который может обеспечить максимальный запас хода электромобилей. 500 километров и время перезарядки менее 5 минут. В будущем графен может стать важнейшим материалом для разработки крупномасштабных накопителей энергии, а графеновые батареи остаются самой многообещающей технологией аккумуляторов для электромобилей.