Grafeenipõhiseid akusid kasutatakse aktiivselt erinevates kaubanduslikes rakendustes. Grafeenipõhiste akude arendamise tulemusel paraneb jõudlus ja pikem elutsükkel võrreldes tavapäraste liitiumioonakudega.
Elon Muski Tesla Motors on tuntud näide uuenduslikest ettevõtetest, mis tegelevad aktiivselt grafeenakude uurimise ja turustamisega.
Sisukord
Mis on grafeeni aku
Grafeen – on oma paljude hämmastavate omaduste tõttu laialdaselt tuntud kui „imematerjal“. See on võimas elektri- ja soojusenergia juht, äärmiselt kerge ja painduv, suure pindalaga. Seda peetakse ka keskkonnasõbralikuks ja jätkusuutlikuks, pakkudes piiramatuid võimalusi arvukateks rakendusteks.
Huvitav teada! Grafeinakud võivad vähendada akude keskkonnamõju.
Grafeen on mitmekülgne molekul, millel on palju unikaalseid ja soovitavaid omadusi ning mida saab kasutada mitmel viisil, kuna selle kasutamiseks pole ühte universaalset lahendust.
Seda kasutatakse paljude tavapäraste materjalide eeliste parandamiseks, aga see aitab ka ületada varasemaid aku piiranguid, mille tulemuseks on aku tööea või jõudluse pikenemine.
Kuidas tootmine toimub
Grafeeni- ja metallipõhiste anorgaaniliste ühendite kasutatavaks muutmiseks on palju viise. Uue tehnoloogia arenedes leiutatakse ja seejärel kasutatakse sageli uusi meetodeid.
Mis tahes meetodi puhul on materjali enda sünteesimiseks alati mitu võimalust. Igaühe kirjeldamine oleks ebapraktiline, seega vaatleme siin ühte konkreetset meetodit.
Puhas grafeenipõhine elektrood valmistatakse grafeenoksiidi pulbri (100 mg) dispergeerimisel destilleeritud vees (30 ml) ja sonikeerimisel 30 minutit. Saadud suspensiooni kuumutatakse kuumal plaadil temperatuurini 100 °C ja seejärel lisatakse 3 ml hüdrasiinhüdraati.
Suspensiooni hoitakse 24 tundi temperatuuril 98 °C, et redutseerida grafeenoksiidi. Redutseeritud grafeenoksiidi saab filtreerimise teel koguda, mille tulemuseks on must pulber. Seejärel pestakse filtreeritud pulbrit mitu korda destilleeritud veega, et redutseerida hüdrasiini liig.
Grafeenipulber dispergeeritakse ultraheli abil vees uuesti ja saadud lahust tsentrifuugitakse seejärel kiirusel 4000 p/min 3 minutit, et eemaldada suuremad osakesed. Grafeen kogutakse vaakumfiltreerimise teel ja kuivatatakse vaakumis. Ettevõtted Suurbritannias, Venemaal, Hispaanias, USAs ja Lõuna-Koreas toodavad seda tööstuslikus mahus.
Tööpõhimõte ja seade
Grafeenakude tööpõhimõte ja disain on sarnased traditsiooniliste akudega, mis kasutavad ioonide ülekande hõlbustamiseks kahte elektroodi ja elektrolüüdilahust. Grafeenipõhiste akude ja tahkisakude peamine erinevus seisneb ühe või mõlema elektroodi koostises.
Muutus toimub peamiselt katoodis, kuid anoodis on võimalik kasutada ka süsiniku allotroope. Tavapärase aku katood on täielikult valmistatud tahkismaterjalidest, kuid grafeenakus kasutatakse katoodina komposiithübriidmaterjali.
Spetsifikatsioonid ja omadused
Akude valdkonnas on grafeeni kasutamine oluliselt täiustanud tavapäraseid materjale. Magneesiumgrafeenist akud võivad olla kerged, vastupidavad ning sobivad suure mahutavusega energia salvestamiseks ja lühendatud laadimisaja tagamiseks. See lisab juhtivust ilma tavapärastes akudes kasutatava süsinikukoguseta.
Grafeen võib mitmel viisil parandada aku omadusi, näiteks energiatihedust ja kuju. Liitiumioonakusid (ja muud tüüpi akusid) saab parandada, lisades aku anoodile grafeeni ja kasutades materjali juhtivust morfoloogilise optimeerimise ja jõudluse saavutamiseks.
Tähtis! Grafeenipõhiste akude juhtivus on teiste pooljuhtmaterjalidega võrreldes oluliselt suurem.
Samuti on leitud, et hübriidmaterjalide loomine võib olla kasulik akude kvaliteedi parandamisel. Näiteks saab liitiumioonkatoodidel kasutada vanaadiumoksiidi VO2 ja grafeenkatalüsaatorite hübriidi, mis võimaldab kiiret laadimist ja tühjendamist ning laadimistsükli suuremat vastupidavust.
Sellisel juhul on VO2-l kõrge energiamahtuvus, kuid halb elektrijuhtivus, mida saab lahendada grafeeni kasutamisega omamoodi struktuurilise "alusena", millele saab VO2 kinnitada – luues hübriidmaterjali, millel on nii suurenenud mahutavus kui ka suurepärane juhtivus.
Eelised ja puudused
Peamiste eeliste loend sisaldab järgmist:
- Keskkonnasõbralikkus.
- Suur erimahutavus.
- Kõrge juhtivus.
- Kiire laadimine.
- Tehniline vastupidavus.
Ainuke aku puudus on see, et toode on üsna suur. Seetõttu pole neid praegu võimalik miniatuursetesse vidinatesse (näiteks telefonidesse) paigaldada.
Kus kasutatakse grafeenpatareisid?
Grafeenipõhistel akudel on põnev potentsiaal ja kuigi need pole veel täielikult saadaval, on teadus- ja arendustegevus intensiivne. Paljud tuntud ettevõtted kasutavad neid.
2014. aasta augustis tegi Tesla ettepaneku töötada välja uus akutehnoloogia, millel oleks tema elektriauto mudelil peaaegu kaks korda suurem võimsus.
Telefonide osas tutvustas Huawei 2016. aasta novembris uut grafeeniga kaetud liitiumioonakut, mis suudab töötada kõrgemal temperatuuril (60° kraadi võrreldes praeguse 50° kraadi piiriga) ja pakub pikemat aku tööiga.
India ettevõte Log 9 Materials teatas 2018. aasta detsembris, et töötab uue projekti kallal, mis võiks teoreetiliselt viia veega töötavate elektriautode väljatöötamiseni.
Tehnoloogia väljavaated
Populaarsete ettevõtete teadlaste sõnul on uusimate akude efektiivsus palju suurem kui traditsioonilistel toodetel. Lisaks laevad nad energiat palju kiiremini (mõne minutiga).
See tehnoloogia muudab revolutsiooniliselt elektriautode arengut, nutitelefonide tootmist, aga ka sülearvutite ja tahvelarvutite tootmist.
Kas teil on küsimusi või midagi lisada? Seejärel kirjutage meile sellest kommentaarides, see muudab materjali kasulikumaks, terviklikumaks ja täpsemaks.
