Co jsou to grafenové baterie?

V přírodě má uhlík dvě formy – grafit a diamant. Jeden z nich se používá v tužkách, druhý je nejodolnějším materiálem na planetě. V roce 2004 objevila skupina ruských vědců třetí formu: grafen.

Látka je filmovitá struktura atomů uhlíku. Tento dvourozměrný film se v přírodě nevyskytuje; jediný způsob, jak jej získat, je výroba pod tlakem a teplotou. Ve skutečnosti je látka rovina grafitu, která je oddělena od jediné struktury. Atomy uhlíku jsou navzájem spojeny v hexagonální krystalové mřížce. Díky vysoké hustotě vazeb má látka vysoký stupeň tuhosti a obrovskou rezervu tepelné vodivosti. Díky zvýšené pohyblivosti elektronů v látce je materiál perspektivní pro použití v polovodičových obvodech, bateriích a nanotechnologiích. Grafenové baterie mají rekordní kapacitu s nízkou hmotností.

Příjem

Existuje několik způsobů, jak získat grafen v laboratoři nebo průmyslovém komplexu. Nejjednodušší je oddělování vrstvy po vrstvě od pyrolytického grafitu pomocí mechanického působení na materiál. Tímto způsobem se získávají vysoce kvalitní vzorky, které mají zvýšenou aktivitu nabitých částic. Při použití této metody je nemožné získat inovativní materiál v průmyslovém měřítku kvůli použití vysoce přesné ruční práce.

To je zajímavé. Alternativou je podrobit sloučeninu křemíku a uhlíku eliminaci při vysoké teplotě. Tímto způsobem je možné získat dostatečně velké množství látky v krátkém čase. V roce 2010 se po výzkumu K. Novoselova a A. Geima podařilo získat velké listy grafenu, které vznikají depozicí látky z plynné fáze.

Grafenové baterie

Zařízení vyrobená z inovativních materiálů zaznamenala kvalitativní posun v automobilovém průmyslu. Nejvíce těžily elektromobily. Díky zvýšené aktivitě nabitých částic v materiálu se výrazně zvyšuje kapacita výsledných grafenových baterií.

První napájecí zdroje založené na materiálu byly vyrobeny přidáním lithia do plechů. Toto schéma je však pro průmyslové použití málo použitelné kvůli prudké reakci látky s vodou a jinými oxidačními činidly. Při kontaktu lithia s vodou na otevřeném prostranství dojde k velké explozi. Jakékoli mechanické poškození vozu nebo baterie s následným kontaktem s kapalinou může proto při použití vody vést k požáru a nemožnosti požár v krátké době uhasit.

Také potřeba velkého množství lithia výrazně zvýšila výrobní náklady. Množství ložisek látky na planetě je nepatrné, takže v bateriích není dostatečné využití pro dlouhodobou průmyslovou výrobu. Akumulační články využívající tento materiál měly extrémně pomalou dobu nabíjení, což ztěžovalo jejich použití v automobilovém průmyslu. Proto bylo nutné získat nový zdroj energie pomocí grafenu. Toto je hořčíková grafenová baterie.

Vlastnosti hořčíkovo-grafenové baterie

Hořčíkové baterie byly vyvinuty v roce 2017 vědci a inženýry ze Španělska. Grafenové baterie využívající hořčík jako elektrolyt mají extrémně rychlou rychlost a kapacitu nabíjení. Ve skutečnosti se jedná o baterie nové generace. Náklady ve srovnání s lithium-iontovými analogy klesly o 77 %. Hmotnost se také snížila o 50%. Díky vysoké pohyblivosti iontů je doba nabíjení baterie 8 minut. Maximální kapacita baterie vystačí na 1000 kilometrů jízdy v elektromobilu.

Po testování německými automobilovými koncerny padlo rozhodnutí o jeho využití v průmyslu. Přestože elektrické vozidlo bez fosilních paliv nemůže dosáhnout rychlosti tradičních benzinových nebo naftových vozidel, náklady na energii a údržbu jsou výrazně nižší. Elektromobily se díky tomu stávají slibným vývojem.

Použití grafenové baterie v autě

Důležité! Ve srovnání s sériově vyráběnými auty s lithium-iontovými bateriemi, které vyžadují dobíjení, se grafenové baterie nabíjejí mnohem rychleji a poskytují přibližně 3x delší dojezd.

Výhody baterií

Mezi hlavní výhody napájecích zdrojů vyrobených z inovativního materiálu patří:

• Nízká hmotnost. Díky filmové struktuře tvořené vrstvou jednoho atomu váží metr čtvereční látky méně než 1 gram. Díky tomu jsou baterie, napájecí zdroje a další výrobky vyrobené z materiálu mnohem lehčí než jejich analogy;
• Látka je zcela průhledná, což usnadňuje údržbu jednotek na bázi grafenu;
• Vysoké fyzikální vlastnosti pružnosti a pevnosti. Grafen je při podobné tloušťce přibližně 200krát pevnější než ocel, takže mechanické poškození baterii nepoškodí. Díky filmové struktuře bude baterie snadno obnovitelná;
• Velké množství volných iontů a záznamová vodivost náboje umožňují dosáhnout rychlosti až 100x vyšší než u křemíku. Materiál lze proto použít k vytvoření elektronických počítačů.

Grafen je inovativní materiál s vysokými fyzikálními vlastnostmi pevnosti a vodivosti. Díky tomu našly suroviny uplatnění v mnoha různých oblastech, od rádiových součástek a počítačů až po napájecí zdroje. Baterie vyrobené z grafenu s hořčíkovým prvkem se vyznačují zvýšenou kapacitou ve srovnání s analogovými a extrémně vysokou rychlostí nabíjení. Díky tomu je lze použít v různých oblastech, od automobilové výroby až po pohon různých ručně vyráběných dílů.