Графен алюминиево ионный аккумулятор

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Инженеры и ученые из университета Чжэцзяна (Zhejiang University), Восточный Китай, разработали алюминиево-графеновую супербатарею, обладающую целым рядом столь выдающихся характеристик, что это вызывает весьма обоснованные сомнения. Согласно разработчикам, эта батарея способна полностью заряжаться всего за 5 секунд, а ее емкости достаточно для обеспечения работы смартфона в течение двух часов. Батарея теряет менее 10 процентов от своей изначальной емкости после 250 тысяч циклов заряда-разрядки, она способна работать при температурах от –40 до 120 градусов Цельсия, она гибка и выдерживает без потери емкости до 10 циклов деформации и, к тому же, более безопасна с точки зрения возможности возгорания, чем обычные литий-ионные аккумуляторные батареи.

Такие фантастические характеристики являются следствием использования тонкой пленки графена в качестве материала положительного электрода и алюминиевой фольги в качестве отрицательного электрода. Главной «фишкой» данной аккумуляторной батареи является графеновый пленочный катод, изготовленный по технологии 3H3C (trihigh tricontinuous). Особенностью этой технологии является создание крошечных графеновых локальных структур (3H) и непрерывная токопроводящая матрица, обеспечивающая как электронную, так и ионную проводимость (3C). Сложная структура катода батареи обеспечивает ей значение плотности хранения энергии на уровне 120 мА*ч/грамм и сверхвысокие динамические характеристики, что позволяет ей заряжаться до 91.7 процентов всего за 1.1 секунды.

Если на основе новой технологии создать батарею для обычного смартфона, то такая батарея сможет прослужить не менее 70 лет даже с учетом того, что ее придется подзаряжать в среднем 10 раз в день.

Однако, некоторые эксперты, в частности Чжен Джиату (Чжен Джиэту), заместитель директора альянса China Electric Vehicle Charging Technology and Industry Alliance, предупреждают, что к приведенным здесь цифрам надо относиться с осторожностью.

«Результаты, о которых объявила исследовательская группа, являются результатами расчетов математических моделей, а не реальными данными, полученными в ходе испытаний опытных образцов. Ведь даже для проверки остаточной емкости батареи после 250 тысяч циклов, потребуется очень долгое время».

Тем не менее, сами исследователи признают, что им предстоит проделать еще массу работы, прежде чем технология алюминиево-графеновых супербатарей приблизится к уровню практического применения. Такие батареи значительно проигрывают литий-ионным батареям по электрической емкости и это является тем фактором, который будет сдерживать возможность их практического использования, несмотря на все остальные фантастические параметры.

Источник

Графеновые батареи: что это такое и почему за ними будущее?

Сегодня смартфоны удовлетворяют почти всем нашим требованиям. Яркие и сочные дисплеи, превосходного качества корпуса, выполненные из стекла и металла, громкие мультимедийные динамики, ну и, конечно же, камеры, благодаря которым мы совершаем превосходные снимки — всё это делает наше взаимодействие со смартфоном максимально комфортным. Но при всех этих плюсах есть один существенный недостаток — автономное время работы устройств.

Литий-ионные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя на рынке и уже более 29 лет занимают первое место в обеспечении смартфонов энергией. Однако нельзя отрицать, что годы идут, а начинка смартфонов становится мощнее и питать такое количество компонентов становится всё сложнее, поэтому индустрия нуждается в «свежей крови». Одним из таких решений может стать графен.

До сих пор графеновые аккумуляторы не имеют широкого применения в смартфонах или любых других гаджетах повседневного использования, но всё это вопрос времени. Многие считают, что в скором будущем графен совершит революцию и вытеснит популярные литий-ионные аккумуляторы.

Что мы знаем о графене и его свойствах?

Графен — это сложное соединение атомов углерода, связанных в так называемую сотовую структуру, благодаря чему он обладает рядом интересных свойств. Например, является самым мощным в мире проводником электрической и тепловой энергии, очень гибок и чрезвычайно лёгок. Кроме того, графен экологичен и устойчив к разного рода воздействиям.

Что касается батарей, в которых будет использоваться этот материал, то скорее всего его используют в качестве «суперконденсатора» — аналога аккумуляторной батареи, который позволит увеличить автономное время работы, а также уменьшит время зарядки.

Об отличиях литий-ионных и графеновых батарей

Несмотря на то, что литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию аналогичным образом, в конструктивных аспектах и областях применения, они отличаются друг от друга, с точки зрения срока службы эксплуатации, безопасности и скорости передачи энергии.

Основополагающей причиной, по которой графеновые батареи более эффективны, чем нынешние литий-ионные батареи — их способность рассеивать тепло. Когда происходит передача тепла, создается большое количество энергии из-за сопротивления проводников. С увеличением тепловой энергии сопротивление возрастает ещё больше, создавая так называемый цикл неэффективности. Относительное превышение тепла и сопротивления приводит к деградации батареи и устройства в целом. Вспомните хотя бы печальный опыт Samsung Galaxy Note 7.

Дабы предотвратить катастрофические сбои, литий-ионные аккумуляторы используются вместе с графеном, для улучшения характеристик катодного проводника. Таким образом, литий-ионные батареи с применением графена известны как гибриды, за счёт чего они имеют большую зарядную ёмкость, меньший вес, больший срок службы и более быстрое время зарядки, чем традиционные батареи. Гибридные батареи, вероятно, станут первыми графеновыми батареями потребительского сегмента, которые появятся на рынке.

В настоящее время графен является одним из самых проводящих материалов в мире с относительно низким уровнем сопротивления. Низкие уровни сопротивления контролируют уровни нагрева, тем самым поддерживая общие температуры в минимальном и безопасном диапазоне.

А что дальше и в чём подвох?

Не смотря на все перечисленные достоинства графеновых батарей, в настоящее время графен все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения его коммерциализации, в качестве аккумуляторной технологии. Этой несомненно перспективному материалу ещё предстоит преодолеть множество проблем, включая чрезвычайно высокую стоимость производства. По мере того как производственный процесс становится более доступным и усовершенствованным, возможности применения графена будут значительно расти.

Наиболее обнадеживающим применением графена является его интеграция с литий-ионными батареями, гибридами. Но если вы ещё сомневаетесь в этой технологии, то вот список компаний, которые уже инвестируют в развитие этого направления: Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Cabot Corporation, Grabat Graphenano Energy, Nanotech Energy, Nanotek Instruments, XG Sciences. Все они проявили большой энтузиазм в разработке подобных аккумуляторов, сделав большой вклад в развитие технологий графеновых батарей.

Трудно предсказать дальнейшее будущее аккумуляторов с использованием графена, но совершенно точно можно сказать, что графен станет важной частью следующего шага развития технологий аккумуляторных батарей.

Источник

Учёные обещают революционные аккумуляторы уже в 2021-2022 году

Австралийские исследователи сообщили о большом прорыве в создании аккумуляторов. Разработанные ими элементы способны заряжаться в десятки раз быстрее существующих при значительно большей ёмкости и без недостатков литий-ионной технологии.

Инженеры из австралийской компании Graphene Manufacturing Group (GMG) значительно улучшили технологию графеново-алюминиево-ионных аккумуляторов. Они уверяют, что им удалось увеличить скорость заряда в 60 раз в сравнении с лучшими литий-ионными элементами, а ёмкость — в три раза в сравнении с лучшими элементами на основе алюминия. Более того, аккумулятор полностью безопасен, не зависит от перепадов температур и не имеет верхнего предела в амперах. Ещё он более экологичен и имеет увеличенный в три раза срок службы.

Первые алюминиево-ионные графеновые аккумуляторные батареи появятся в продаже уже до конца этого или в начале следующего года, а выход топливных ячеек для автомобилей запланирован на 2024-й. Технология основана на включении в крошечные отверстия в графеновых плоскостях атомов алюминия. Это позволяет добиться высокой мощности и плотности размещения ячеек. По мнению инженеров, нет никаких препятствий для придания аккумуляторам любой формы. При этом батарея, сравнимая размерами с теми, что используются в смартфонах, способна зарядиться менее чем за минуту, имея ёмкость до четырёх раз выше.

Немаловажно, что для создания аккумуляторов не нужны редкоземельные элементы, стоимость которых в последние годы ощутимо возросла. Это позволит говорить о снижении цены при общем улучшении всех параметров.

Источник

Алюминиево-ионный аккумулятор — Aluminium-ion battery

Алюминиево-ионные батареи представляют собой класс перезаряжаемых батарей, в которых ионы алюминия обеспечивают энергию, протекая от положительного электрода батареи, анода , к отрицательному электроду, катоду . При перезарядке ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и могут обмениваться тремя электронами на ион. Это означает, что введение одного Al 3+ эквивалентно трем ионам Li + в обычных интеркаляционных катодах. Таким образом, поскольку ионные радиусы Al 3+ (0,54 Å ) и Li + (0,76 Å) аналогичны, значительно более высокие модели электронов и ионов Al 3+ могут быть приняты катодами без особого измельчения. Трехвалентный носитель заряда Al 3+ является преимуществом и недостатком этой батареи. В то время как перенос 3 единиц заряда одним ионом значительно увеличивает емкость накопления энергии, электростатическая интеркаляция материалов-хозяев трехвалентным катионом слишком сильна для четко определенного электрохимического поведения.

Перезаряжаемые батареи на основе алюминия предлагают возможности низкой стоимости и низкой воспламеняемости, а также обладают трехэлектронными окислительно-восстановительными свойствами, обеспечивающими высокую емкость. Ожидается, что инертность алюминия и простота обращения в окружающей среде позволят значительно повысить безопасность этого типа батарей. Кроме того, алюминий обладает большей объемной емкостью, чем Li, K, Mg, Na, Ca и Zn, благодаря своей высокой плотности ( 2,7 г / см 3 при 25 ° C) и способность обмениваться тремя электронами. Это снова означает, что энергия, запасенная в алюминиевых батареях в расчете на единицу объема, выше, чем в других батареях на основе металла. Следовательно, ожидается, что алюминиевые батареи будут меньше по размеру. Алюминиево-ионные аккумуляторы также имеют большее количество циклов заряда-разряда. Таким образом, алюминиево-ионные батареи могут заменить литий-ионные батареи .

СОДЕРЖАНИЕ

Дизайн

Как и все другие батареи, основная структура алюминиево-ионных батарей включает два электрода, соединенных электролитом , ионно (но не электрически) проводящим материалом, действующим как среда для потока носителей заряда. В отличие от литий-ионных батарей, в которых подвижным ионом является Li + , алюминий образует комплекс с хлоридом в большинстве электролитов и генерирует анионный подвижный носитель заряда, обычно AlCl ₄ — или Al ₂ Cl ₇ — .

Количество энергии или мощности, которую может высвободить аккумулятор, зависит от факторов, включая напряжение аккумуляторного элемента, емкость и химический состав. Батарея может максимально увеличить выходную мощность за счет:

• Увеличение разницы химических потенциалов между двумя электродами
• Уменьшение массы реагентов
• Предотвращение изменения электролита химическими реакциями

Электрохимия

Половина реакции анода:

Объединение двух половинных реакций дает следующую реакцию:

Литий-ионное сравнение

Алюминиево-ионные батареи концептуально аналогичны литий-ионным батареям , но имеют алюминиевый анод вместо литиевого анода. Хотя теоретическое напряжение для алюминиево-ионных аккумуляторов ниже, чем для литий-ионных аккумуляторов, 2,65 В и 4 В соответственно, теоретический потенциал плотности энергии для алюминиево-ионных аккумуляторов составляет 1060 Втч / кг по сравнению с пределом для литий-ионных 406 Втч / кг. .

Современные литий-ионные аккумуляторы обладают высокой плотностью мощности (быстрый разряд) и высокой плотностью энергии (удерживают большой заряд). Они также могут образовывать дендриты, похожие на осколки, которые могут вызвать короткое замыкание батареи и привести к пожару. Алюминий также более эффективно передает энергию. Внутри батареи атомы элемента — лития или алюминия — отдают часть своих электронов, которые проходят через внешние провода для питания устройства. Из-за своей атомной структуры ионы лития могут выделять только один электрон за раз; алюминий может дать сразу три. Алюминий также более распространен, чем литий, что снижает материальные затраты.

Вызовы

Алюминиево-ионные аккумуляторы имеют относительно короткий срок хранения . Комбинация тепла, скорости заряда и цикличности может резко снизить энергоемкость. Одной из основных причин такого короткого срока хранения является поломка традиционного графитового анода, причем ионы Al намного больше, чем ионы Li, используемые в обычных аккумуляторных системах. Когда металло-ионные батареи полностью разряжены, их больше нельзя перезарядить. Ионные электролиты, повышая безопасность и долговременную стабильность устройств за счет минимизации коррозии, дороги в производстве и покупке и поэтому могут не подходить для массового производства устройств с ионами алюминия. Кроме того, нынешние достижения наблюдаются только в ограниченных лабораторных условиях, где необходимо проделать гораздо больше работы по расширению производства для использования в коммерческих условиях.

Исследовать

Различные исследовательские группы экспериментируют с алюминием и другими химическими соединениями, чтобы создать наиболее эффективную, долговечную и безопасную батарею.

Cornell University

В 2021 году исследователи анонсировали ячейку, в которой использовался анод с трехмерной структурой, в котором слои алюминия равномерно накапливались на переплетенных углеродных волокнах. структура за счет ковалентного связывания во время зарядки аккумулятора. Более толстый анод имеет более быструю кинетику. Опытный образец проработал 10 тыс. Циклов без признаков отказа.

Электролит

Национальная лаборатория Ок-Ридж

Примерно в 2010 году Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) разработала и запатентовала устройство с высокой плотностью энергии , производящее 1060 ватт-часов на килограмм (Втч / кг). ORNL использовал ионный электролит вместо обычного водного электролита, который может выделять водород во время работы и вызывать коррозию алюминиевого анода. Электролит состоял из хлорида 3-этил-1-метилимидазолия с избытком трихлорида алюминия . Однако ионные электролиты обладают меньшей проводимостью, что снижает удельную мощность . Уменьшение расстояния между анодом и катодом может компенсировать ограниченную проводимость, но вызывает нагрев. ORNL разработала катод, состоящий из оксида марганца шпинели, дополнительно уменьшающего коррозию.

Катод

Стэндфордский Университет

В апреле 2015 года исследователи из Стэнфордского университета заявили, что разработали алюминиево-ионную батарею со временем перезарядки около одной минуты (для неопределенной емкости батареи). Их ячейка обеспечивает около 2 вольт, 4 вольта при последовательном соединении двух ячеек. Прототип продержался более 7500 циклов заряда-разряда без потери емкости.

Батарея состояла из алюминиевого анода, жидкого электролита, изоляционной пены и графитового катода. Во время процесса зарядки ионы AlCl ₄ — интеркалируют между слоями графена. Во время разряда ионы AlCl ₄ — быстро деинтеркалируют через графит. Ячейка показала высокую прочность, выдерживая более 10 000 циклов без потери емкости. Ячейка была стабильной, нетоксичной, гибкой и негорючей.

В 2016 году лаборатория протестировала эти элементы в сотрудничестве с Тайваньским научно-исследовательским институтом промышленных технологий (ITRI), чтобы привести мотоцикл в действие с использованием дорогостоящего электролита. В 2017 году был испытан электролит на основе карбамида, который стоил около 1% от стоимости модели 2015 года. Батарея демонстрирует кулоновский КПД ∼99,7% и емкость катода при емкости катода (1,4 ° C). 100 мА / грамм <\ displaystyle <\ ce <100 мА >>> 73 мАч / грамм <\ displaystyle <\ ce <73 мАч >>>

Проект АЛИОН

В июне 2015 года консорциум производителей материалов и компонентов и сборщиков аккумуляторов запустил проект алюминиево-ионных аккумуляторных батарей с высокой удельной энергией для децентрализованных источников производства электроэнергии (ALION) в качестве европейского проекта Horizon 2020 под руководством исследовательского института LEITAT . Цель проекта — разработать прототип алюминиево-ионного аккумулятора, который можно было бы использовать для крупномасштабного хранения из децентрализованных источников. Проект стремился достичь плотности энергии 400 Втч / кг, напряжения 48 вольт и срока службы заряда-разряда 3000 циклов.

В мае 2019 года проект завершился, и были опубликованы его окончательные результаты. Проект показал, что высокая мощность и циклические характеристики Al-иона сделали его привлекательной альтернативой. Предлагаемые области применения включают свинцово-кислотные батареи в источниках бесперебойного питания , телекоммуникациях и хранении энергии в сетях . Трехмерная печать аккумуляторных блоков позволила разработать большие алюминиево-ионные элементы с напряжением от 6 до 72 вольт.

Cornell University

В 2011 году в Корнельском университете исследовательская группа использовала тот же электролит, что и ORNL, но в качестве катода использовала нанопроволоки из оксида ванадия . Оксид ванадия имеет открытую кристаллическую структуру, что обеспечивает большую площадь поверхности для алюминиевой структуры и сокращает расстояние между катодом и анодом, увеличивая выходную энергию до максимума. Во время работы устройство выдавало большое выходное напряжение. Однако аккумулятор имел низкую кулоновскую эффективность .

Университет Мэриленда

В 2016 году команда Университета Мэриленда сообщила о перезаряжаемой батарее алюминий / сера, в которой в качестве материала катода используется композит сера / углерод. Химия способна обеспечить теоретическую плотность энергии 1340 Втч / кг. Команда создала прототип элемента, который продемонстрировал плотность энергии 800 Втч / кг в течение более 20 циклов.

Антрахинон

В 2019 году исследователи предложили использовать антрахинон в качестве катода в ионно-алюминиевой батарее.

Квинслендский технологический университет

В 2019 году исследователи из Технологического университета Квинсленда разработали электроды на основе криптомелана в качестве катода для ионно-алюминиевой батареи с водным электролитом.

Университет Клемсона

В 2017 году исследователи из Института наноматериалов Клемсона использовали графеновый электрод для интеркаляции тетрахлоралюмината ( AlCl —
4 ). Команда сконструировала батареи с алюминиевыми анодами, нетронутыми или модифицированными многослойными графеновыми катодами и ионной жидкостью с солью AlCl3 в качестве электролита. Они утверждали, что батарея может работать более 10 000 циклов при плотности энергии 200 Втч / кг.

Факультет науки о полимерах Чжэцзянского университета

В декабре 2017 года группа под руководством профессора Гао Чао с факультета полимеров и инженерии Чжэцзянского университета объявила о разработке батареи с использованием графеновых пленок в качестве катода и металлического алюминия в качестве анода.

Конструкция 3H3C (Trihigh Tricontinuous) позволяет получить катод из графеновой пленки с превосходными электрохимическими свойствами. Жидкокристаллический графен образует высокоориентированную структуру. Высокотемпературный отжиг под давлением позволил получить высококачественную структуру графена с высокой канализацией. Заявленные свойства:

• Сохранение 91,7 процента исходной емкости после 250 тыс. Циклов.
• Время зарядки 1,1 секунды.
• Диапазон температур: от -40 до 120 С.
• Емкость по току: 111 мАч / г, 400 А / г
• Гибкий и негорючий.
• Низкая плотность энергии.

Источник