Графеновый аккумулятор википедия: Компания Samsung будет использовать графеновые батареи в своих смартфонах уже в 2021 году

Содержание

Компания Samsung будет использовать графеновые батареи в своих смартфонах уже в 2021 году

Компания Samsung готовит к релизу смартфон с батарейной технологией, которая позволит ему полностью зарядиться менее чем за полчаса.

В ноябре 2017 года компания Samsung заявила о том, что инженеры исследовательского подразделения Samsung Advanced Institute of Technology успешно синтезировали графеновые элементы («графеновые шарики»), которые благоприятно влияют на работу литий-ионных батарей, повышая их емкость на 45%, а скорость зарядки увеличивается в пять раз, ведь графен «в 100 раз эффективнее проводит электричество, чем медь», передает энергию «в 140 раз быстрее», чем кремний, что делает его «идеальным материалом для быстрой зарядки».

Ссылка на научную статью «Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities» от инженеров Samsung Advanced Institute of Technology.

Затем эти «графеновые шарики» инженеры применили в катоде и аноде литиево-ионной батареи, что позволило серьезно улучшить ее качества. В компании Samsung запатентовала эту новую технологию в Южной Корее и США.

Благодаря новым графеновым элементам аккумуляторы смартфонов Samsung получилось зарядить в несколько раз быстрее — от 0% до 100% потребовалось всего 12 минут. Для сравнения, обычные аккумуляторы схожей емкости потребуют от одного до двух часов (примерно 3000 — 5000 мАч) для полной зарядки.

И вот, в августе 2019 года у издания Business Insider со ссылкой на авторитетного блогера Эвана Бласса, известного своей осведомленностью относительно предстоящих мобильных новинок, появилась информация о том, что компания в Samsung готовят к релизу смартфон с батарейной технологией с графеновыми элементами, которая позволит ему полностью заряжаться менее чем за 30 минут.

Почти во всех современных смартфонах и планшетах установлены традиционные литий-ионные аккумуляторные батареи, которые можно зарядить до 100% примерно за полтора часа (при условии, что в них реализована технология быстрой зарядки, такая как Qualcomm Quick Charge, Huawei SuperCharge или Oppo VOOC).

Например, флагманский планшетофон Galaxy Note10, недавно анонсированный Samsung, поддерживает быструю зарядку мощностью 45 Вт, что позволяет его аккумуляторной батарее емкостью 4 300 мА*ч зарядиться до 100% менее чем за шестьдесят минут.

В компании Samsung уже располагают реальным устройством с новой аккумуляторной батареей на основе графена, а инженеры ее исследовательского подразделения сейчас работают над повышением ее мощности и снижением производственных затрат на производство компонентов батареи.

Тем более, что аккумуляторные батареи на основе графена, емкость которых равна литий-ионным аналогам, обладают:

— значительно более компактными размерами;

— определенным уровнем гибкости, что может оказаться весьма полезным при проектировании складных смартфонов и гаджетов.

Инженеры компании Samsung считают, что переход на аккумуляторные батареи на основе графена позволит увеличить уровень емкости батарей мобильных устройств на 45%.

Ожидается, что будущий смартфон Samsung сможет заряжаться вдвое быстрее за счет аккумуляторной батареи на основе графена и выйти такая новинка сможет в 2020 или 2021 году.

«Литий-ионные батареи… неоптимальны, — написал Эван Бласс. — Samsung надеется выпустить по крайней мере один смартфон в следующем или 2021 году, как мне сказали, у которого будет графеновый аккумулятор».

Первые в Европе графеновые внешние аккумуляторы от Prestigio: заряжают быстрее, служат дольше

Компания Prestigio запускает первые в Европе внешние аккумуляторы с использованием одного из самых перспективных материалов в электронике – графена. Мощные аккумуляторы серии Graphene PD поддерживают беспроводную и быструю зарядку, при этом благодаря графеновой технологии они защищены от перегрева и служат в три раза дольше по сравнению с обычными батареями. Официальным дистрибьютором новинки на территории Украины является компания АСБИС-Украина – ведущий национальный поставщик IT-продуктов, компонентов и решений.

Уникальность аккумуляторов Prestigio состоит в использовании графена, обладающего высокой теплопроводностью, подвижностью электронов и экологичностью. Благодаря этому аккумуляторы устойчивы к высоким температурам и на них может подаваться большее напряжение, за счет чего заряжаются они в разы быстрее аналогов. Например, модель Graphene PD на 10,000 мАч заряжается с 0 до 100% всего за 50 минут (с помощью входящего в комплект 60-ваттного зарядного устройства), а PD Pro на 20,000 мАч – за 100 минут. Больше не придется заряжать аккумуляторы всю ночь.

Обе модели, благодаря разъемам Type-C и USB 3.0, поддерживают одновременную зарядку нескольких устройств: будь то планшеты, смартфоны, наушники или Bluetooth-колонки. Graphene PD Pro на 20,000 мАч также позволяет пополнить запас энергии ноутбука с поддержкой PD-протокола, а помощью технологии Passthrough способен заряжать устройство даже тогда, когда заряжается сам. Пользователям линейки доступна не только быстрая, но и беспроводная зарядка, причем мощность последней составляет 10 Вт, она универсальна и совместима со всеми Qi-устройствами. Также в графеновых аккумуляторах реализована многоуровневая защитная система для абсолютно безопасной зарядки, соответствующая международным стандартам.

Новые модели Graphene PD выполнены из премиальных материалов – металла и глянцевого закаленного стекла. Это тот случай, когда устройство привлекает не только техническими параметрами, но и элегантным внешним видом. До мелочей продуманный дизайн моделей дополняет экран индикации, который отображает состояние зарядки и текущее время автономной работы. Приятное дополнение – в комплекте с устройством идет стильный чехол из натуральной кожи для дополнительной защиты аксессуара.

Новинки поступят в продажу в сентябре. Официальным дистрибьютором продукции бренда Prestigio является компания АСБИС-Украина.

Samsung планирует выпустить смартфон на графеновой батарее

Samsung задумал прорваться на рынок аккумуляторов, он планирует заменить в нем графит на графен, а литий на алюминий, но впереди сложная борьба за снижение цены на графен

Samsung задумал прорваться на рынок аккумуляторов, он планирует заменить в нем графит на графен, а литий на алюминий, но впереди борьба за снижение цены на графен.

О замечательных свойствах графена (двухмерной аллотропной модификации углерода, являющейся по сути одной плоскостью графита, который представляет собой грифель любого простого карандаша) ученым уже известно давно. Так, графен обладает целым рядом рекордных свойств – электропроводностью, теплопроводностью, механической жесткостью, и по-прежнему рассматривается как перспективный материал в целом ряде отраслей и как заменитель кремния в транзисторах. Химически графен инертнен, не подвержен коррозии и чрезвычайно легок.

Однако дебютирование на рынке устройств массового выпуска графен, что удивительно, произведет в составе куда более простого, но не менее важного для любого гаджета, чем процессор или его компоненты – в аккумуляторе.

Графит входит в состав любого Li-Ion или Li-Pol аккумулятора, так как является основой их анодов. Эксперимент с заменой графита на графен начала компания Huawei, ставившая цель сделать Li-Ion аккумулятор более безопасным вследствие улучшения проводимости благодаря графену, а значит обладающим меньшим тепловыделением, и более высокой скоростью заряда. В серийное производство свою разработку Huawei не отправила в связи с высокой стоимостью получения графена из графита (по сути графит представляет собой сажу, не обладающей высокой себестоимостью), однако другие производители обратили внимание на идею Huawei.

Samsung увидел возможность в прорыве на рынке аккумуляторов, достижимой при замене в нем одновременно лития на алюминий, вероятно с добавлением небольшого количества магния в виде сплава (как правило, порядка 6%). Несмотря на то, что алюминий известен практически каждому, низкое напряжение после небольшого цикла перезарядов не дало ему возможности стать основным металлом для аккумулятора, и он уступил это место литию. Применение графена дало возможность сделать напряжение батареи постоянно высоким, а магнию служить промежуточным компонентом.

Во всех аккумуляторных батареях на основе лития строго контролируется скорость заряда. Лимитированный уровень заряда необходим для недопущения перегрева аккумулятора, который пожароопасен из-за высокой химической активности лития – щелочного металла, способного воспламеняться на воздухе, особенно влажном или при попадании воды внутрь аккумулятора (при повреждении аккумулятора). Алюминий обладает низкой пожарной опасностью, даже при повреждении аккумулятора, благодаря образующейся оксидной пленке, защищающей металл от глубинного окисления. По этой причине повреждение аккумулятора практически не представляет опасности, а попадание его в открытый огонь не взрывоопасно, в отличие от всех литиевых аккумуляторов. Совокупная емкость магний-алюминий-графенового аккумулятора примерно в 2-3 раза способна превысить литиевый, так как литий, несмотря на самое высокое значение стандартного электродного потенциала, одновалентен, в то же время как магний – двухвалентен, а алюминий трехвалентен. Следовательно, его емкость также будет выше.

О фантастических свойствах нового аккумулятора сообщаются также другие сведения. Батарея может быть гибкой без риска повреждений (выдерживает до 10 циклов деформации), способна работать в широком диапазоне температур (от -40 до +120 ̊C), что также немаловажно для российских покупателей, испытывающих сложности использования смартфонов в условиях низких температур, которые теряют емкость из-за этого. Если обычная Li-Ion аккумуляторная батарея рассчитана до 1000 циклов заряда-разряда, то магний-алюминий-графеновый способен выдержать 250 тысяч циклов заряда-разряда, потеряв всего 10% от начальной емкости. Пользуясь одним девайсом даже всю жизнь, человек вряд ли достигнет этого процента.

Аккумулятор нового типа сможет выдерживать гораздо более высокие токи заряда, благодаря чему зарядка аккумулятора вместо 1,5 часов сможет занимать не более 10 минут.

Не все эксперты, однако, единодушны в настолько великолепном дебюте аккумулятора нового типа. Насколько хороши они окажутся, покажет недалекое будущее — Samsung намеревается в 2020-2021 году выпустить хотя бы один смартфон на новом аккумуляторе. По заявлению самой же корейской компании его характеристики окажутся немного скромнее: полная (0-100%) зарядка за 30 минут, остальные характеристики компания пока что не раскрывает.

Одной из проблем нового аккумулятора является проблема компактности, или зависимость емкости аккумулятора от размера. Для Li-Ion аккумулятора она практически линейна, алюминий-графеновый аккумулятор, несмотря на более высокую эффективность при оптимальном размере, в компактных устройствах вроде смартфонов емкость будет для него слишком маленькой.

Однако главной проблемой широкого распространения нового аккумулятора станет чрезвычайная дороговизна и сложность промышленного производства графена из графита. Цена качественного графенового порошка составляет около $300 за грамм, следовательно аккумулятор для смартфонов будет в несколько десятков раз дороже Li-Ion аналога. Однако в перспективе разработка более дешевых способов получения графена приведет к снижению его себестоимости, а также еще более важной окажется для электромобилей, вполне возможно, способных в будущем полностью вытеснить двигатели внутреннего сгорания. О своих достижениях автопроизводители не сообщают, но автомобильный пробег Tesla Mobil S на одной зарядке может достигать 800-1000 км, а время зарядки током высокой энергии – не более 10-12 минут. При этом будут сохраняться все преимущества электромобилей – не будет необходимости в коробке передач, КПД будет достигать 90-95%, не будет загрязнения окружающей среды выхлопными газами.

Российский производитель графена планирует выйти на биржу

Стартап OCSiAl из Новосибирска является мировым монополистом по производству одностенных графеновых углеродных нанотрубок. Это материал будущего, который обещает революцию в аккумуляторах, электронике и в других сферах производства. Сегодня акциями OCSiAl почти полностью владеет АО «Роснано», но вскоре стартап рассчитывает выйти на биржу и стать публичной компанией, что откроет новые возможности для развития.

Основные типы углеродных нанотрубок. Источник изображения: Википедия

О планах OCSiAl выйти на биржу сообщил ресурс The Bell со ссылкой на потенциальных инвесторов. Два года назад компания OCSiAl названа основателем и главой АО «Роснано» Анатолием Чубайсом «единорогом» «Роснано» и фактически первой такого рода компанией в России. Термином «единорог» называются стартапы, рыночная стоимость которых перевалила за $1 млрд.

Экономисты поставили под сомнение такое определение OCSiAl, поскольку условно посторонний инвестор купил всего 0,5 % акций OCSiAl за $5 млн. Покупателем акций стала компания A&NN Александра Мамута, поэтому говорить о миллиардной капитализации OCSiAl можно с определёнными допущениями. Тем не менее, в OCSiAl собираются собрать новый раунд инвестиций и оценивают свою капитализацию уже на уровне $2 млрд, а после выхода на биржу (IPO) надеются увеличить рыночную стоимость до $3,5 млрд и через десять лет — до $100 млрд.

По данным источника, новый раунд инвестиций призван погасить взятые OCSiAl займы у «Роснано» и помочь с хорошим стартом на бирже. Это обещает помочь компании OCSiAl снизить зависимость от «Роснано», которая уже вложила в производителя теми или иными способами свыше $60 млн. Ожидается, что выход на IPO по схеме объединения со SPAC произойдёт либо в конце 2021 года, либо в начале 2022 года.

Компанию OCSiAl основали местный предприниматель Юрий Коропачинский и академик РАН Михаил Предтеченский. Последний придумал, как синтезировать и производить в промышленных масштабах одностенные нанотрубки из графена. В 2019 году OCSiAl обеспечила 92 % мирового производства этого материала. Выручка при этом составила $14 млн. В 2019 году компания произвела 23 тонны нанотрубок, хотя продала только 35 % продукции. В 2020 году продажи остались без изменения.

По словам источников, OCSiAl делает ставку на графеновые литиевые аккумуляторы, которые станут более ёмкими — не менее, чем на 75 % и будут на 15 % дешевле современных батарей. Также графен в составе аккумуляторов позволит батареям заряжаться намного быстрее. Это хорошие перспективы, но ими надо воспользоваться.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Натрий может прийти на смену литию в аккумуляторах

Международный коллектив ученых, включающий специалистов НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф, установил, что в аккумуляторах вместо дорогого и сравнительно редкого щелочного металла лития можно использовать дешевый и более распространенный натрий. Это позволит снизить стоимость аккумуляторов, не жертвуя емкостью. Однако натрий необходимо «укладывать» особым способом.

Говоря точнее, атомы натрия необходимо располагать в несколько слоев, один над другим. Такую структуру можно сформировать переходом атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», — сообщил один из исследователей, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.

«Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия – при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте», — заключил старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН Захар Попов.

Пока выполнено только численное моделирование, но оно открывает путь к следующему шагу, который предстоит сделать ученым. Речь идет о создании экспериментального образца и изучении его в лабораторных условиях. Этим займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Если разработка увенчается успехом, можно будет рассчитывать на появление нового поколения натриевых аккумуляторов. Они будут такими же или даже более емкими, чем литий-ионные аккумуляторы, но в несколько раз более дешевыми.

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

 

 

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

 

Описание графена. Открытие графена

Свойства и преимущества графена

Физические свойства графена

Получение графена

Получение графена в домашних условиях

Применение графена

Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.

 

Описание графена. Открытие графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp2-связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань.

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит, известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки. Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.

Графен был получен двумя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой – графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.

 

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Так, подвижность зарядов графена составляет более 1 000 000 см2/В∙с. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с,

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы,

обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,

графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект),

– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,

– химически нейтрален, стабилен и экологичен.

 

Физические свойства графена*:

Наименование показателя: Значение:
Длина связи С–С, нм 0,142
Плотность, мг/м2 0,77
Удельная площадь поверхности, м2 2630
Подвижность электронов, см2/(В∙с) более 1,0∙106
Модуль Юнга, ТПа более 1
Теплопроводность, Вт/(м∙К) от 4840 до 5300
Оптическая проницаемость 0,977

* при комнатной температуре.

 

Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,

диспергирование графита в водных средах,

механическая эксфолиация;

эпитаксиальный рост в вакууме;

химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

 

Получение графена в домашних условиях:

Для получения графена в домашних условиях необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

 

Применение графена:

солнечная энергетика,

водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,

электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),

в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,

медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани,

создание суперкомпозитов,

очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

 

карта сайта

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож

Коэффициент востребованности 12 937

Плотность энергии новой твердотельной батареи в 3,5 раза выше, чем у Tesla

Инженеры компании Samsung сообщили о создании твердотельного литий-металлического аккумулятора с плотностью энергии 900 Вт*ч/л. Это минимум в 3 раза превосходит плотность энергии лучших на сегодняшний день литиевых аккумуляторов. При этом новый аккумулятор намного безопаснее аналогов. Его появление совершит революцию в электромобилях — позволит снизить на 50% размер аккумуляторов (это половина веса и треть стоимости электрокаров), увеличив при этом пробег машин вдвое.

Исследователи из компании Samsung опубликовали работу с описанием твердотельной литий-металлической батареи нового поколения. Как сообщает Clean Technica, плотность энергии у нее намного выше, чем у традиционных литий-ионных аккумуляторов. К тому же, за счет отсутствия электролита, такая конструкция более безопасна.

Долгое время основной проблемой литий-металлических аккумуляторов оставалось нарастание дендритов на анодах. В Samsung нашли способ справиться с ней — серебряно-углеродное напыление на поверхности анода. Слоя толщиной 5 микрометров оказалось достаточно, чтобы защитить батарею от разрушения.

Новый подход позволил довести плотность энергии в аккумуляторах до 900 Вт*ч/л.

Для сравнения: лучшие литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии в районе 250 Вт*ч/кг. Ежегодно за счет совершенствования технологий удается улучшать этот показатель примерно на 5%. Еще несколько лет назад плотность энергии аккумуляторов Tesla была 180 Вт*ч/кг. Прорыв инженеров Samsung приведет к революции в аккумуляторах для всех вариантов их использования — от электромобилей и смартфонов до промышленных систем хранения энергии.

Плотность хранения энергии, достигнутая инженерами Samsung, резко приблизила аккумуляторы к такому традиционному источнику энергии, как бензин — у него этот показатель 2 900 Вт*ч/кг.

Разумеется, прежде чем технология станет основой для коммерческих устройств, необходимо будет провести множество дополнительных исследований. Однако если учесть, что разработкой занимается одна из крупнейших технологических компаний в мире, путь из лаборатории в производственные цеха может занять не годы, а месяцы.

В случае успеха литий-металлические батареи можно будет использовать во всех видах электроники. В частности, они позволят ускорить распространение электромобилей: можно будет одновременно уменьшить вес батарей и в тоже время существенно увеличить дальность пробега на одной зарядке.

Например, можно будет без проблем уменьшить объем батарей на 50%, увеличив при этом почти в 2 раза их мощность и соответственно дальность пробега.

Применение таких батарей в смартфонах, планшетах и прочих гаджетах позволит также уменьшить их вес за счет более компактного аккумулятора, но при этом они смогут работать без подзарядки в разы дольше.

Исследователи из США разработали литий-ионную батарею, которая сочетает стабильность и высокую плотность энергии. При этом число циклов заряда и разряда превысило 4000 — этого хватит, чтобы электромобиль с такой батареей проехал 1,6 млн км.

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Графен представляет собой сотовую решетку атомного масштаба, состоящую из атомов углерода.

Графен — одна из форм углерода. Подобно алмазам и графиту, формы (или «аллотропы») углерода имеют разную кристаллическую структуру, что придает им разные свойства. Графен является базовой двумерной (двумерной) формой ряда трехмерных аллотропов, таких как графит, древесный уголь, фуллерен и углеродные нанотрубки.

Термин графен был придуман как комбинация графита и суффикса «-ene» Ханнсом-Питером Бёмом, [1] , который описал однослойную углеродную фольгу в 1962 году. [2] Графен похож на соты или структуру «куриной сетки», состоящую из атомов углерода и их связей. Графит представляет собой множество листов графена, сложенных вместе.

Три миллиона графеновых листов, сложенных друг с другом для образования графита, будут иметь толщину всего один миллиметр.

Нобелевская премия по физике за 2010 год была присуждена сэру Андрею Гейму и сэру Константину Новоселову «за новаторские эксперименты в отношении двумерного материала графена». [3]

Одним из возможных применений являются графеновые суперконденсаторы.

Международная команда из Манчестерского университета изготовила мембрану из оксида графена. Они показали, что он блокирует многие газы и жидкости, но пропускает воду. Сэр Андре Гейм сказал: «Гелий трудно остановить. Он медленно просачивается даже через оконное стекло толщиной в миллиметр, но наши ультратонкие пленки полностью его блокируют. В то же время вода беспрепятственно испаряется через них. Материалы не могут вести себя как-то странно. «. [4]

Мембраны из графена могут стать хорошими пуленепробиваемыми материалами.Исследования показывают, что слой толщиной в атом поглощает удар лучше, чем сталь. Исследовательская группа предполагает, что объединение графена с одним или несколькими дополнительными материалами для формирования композита может стать шагом вперед. [5] [6]

1. Внутренняя структура

Внутренняя структура графеновой батареи очень похожа на структуру стандартной литий-ионной батареи. Есть 2 электрода и раствор электролита для обеспечения потока заряда. Отличие заключается в том, что в батареях на основе графена один из электродов, в основном катод, заменен гибридным композитным материалом (твердотельный металл + графен), используемым вместо стандартного твердотельного металла [7]

2.Преимущества

Меньшая, более тонкая батарея: Графен, являющийся двумерным материалом, представляет собой всего лишь один слой атомов. Чтобы лучше понять это, скажем, что когда вы складываете 3 миллиона слоев графена, вы получаете толщину 1 мм. Это означает, что графен позволит сделать смартфоны тоньше, чем когда-либо, и обеспечит больше места для дополнительной электроники, а также позволит разместить аккумуляторы большей емкости. [8]

Более высокая емкость: Графен имеет более высокую энергоемкость для того же размера по сравнению с литий-ионными батареями.В то время как литий-ионные батареи, как известно, хранят до 180 Втч на килограмм, батареи на основе графена способны хранить до 1000 Втч на килограмм. Таким образом, графеновый аккумулятор того же размера имеет более высокую зарядную емкость, чем литий-ионные или другие обычно используемые батареи. [8]

Более быстрая зарядка: Графен является отличным проводником электричества. Его двумерная сотовая структура не оказывает никакого сопротивления потоку электронов. Таким образом, он может быстро заряжаться, а также обеспечивает большую выносливость по сравнению с ионно-литиевыми батареями. [7]

Изобретение графена привело к получению множества патентов на его практическое применение. [9] В 2013 году счет был:

  1. Китайские организации: 2 204
  2. организаций США: 1 754
  3. южнокорейских организаций: 1160
  4. Организации Соединенного Королевства: 54

Южнокорейский гигант электроники Samsung выделяется как компания, имеющая наибольшее количество патентов на графен. [9]

Графеновые батареи: Введение и новости рынка

Графен и батареи

Графен, лист атомов углерода, связанных вместе в виде сотовой решетки, получил широкое признание как «чудесный материал» благодаря множеству удивительных свойств, которыми он обладает.Это мощный проводник электрической и тепловой энергии, чрезвычайно легкий, химически инертный и гибкий с большой площадью поверхности. Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений.

Преимущества графеновых аккумуляторов

В области аккумуляторов традиционные материалы аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, прочной и подходящей для хранения энергии большой емкости, а также сокращать время зарядки.Это продлит срок службы батареи, что отрицательно связано с количеством углерода, нанесенного на материал или добавленного к электродам для достижения проводимости, а графен увеличивает проводимость, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

Графен может различными способами улучшать такие характеристики батареи, как плотность энергии и форма. Литий-ионные аккумуляторы (и другие типы перезаряжаемых аккумуляторов) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезно для усовершенствования аккумуляторов. Гибрид оксида ванадия (VO 2 ) и графена, например, может использоваться на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также длительный цикл зарядки. В этом случае VO 2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электропроводностью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», к которой можно прикрепить VO 2 , создав гибридный материал, обладающий одновременно повышенной мощность и отличная проводимость.

Другим примером являются аккумуляторы LFP (литий-железо-фосфатные), представляющие собой перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы. У него более низкая плотность энергии, чем у других литий-ионных аккумуляторов, но более высокая удельная мощность (показатель скорости, с которой энергия может поставляться аккумулятором). Усиление катодов LFP графеном позволило батареям быть легкими, заряжаться намного быстрее, чем литий-ионные батареи, и иметь большую емкость, чем обычные батареи LFP.


Помимо революции на рынке аккумуляторов, совместное использование графеновых аккумуляторов и графеновых суперконденсаторов может дать удивительные результаты, такие как упомянутая концепция увеличения запаса хода и эффективности электромобиля.Несмотря на то, что графеновые батареи еще не получили широкого распространения, во всем мире сообщается о прорывах в области аккумуляторов.

Основные сведения о батареях

Батареи служат мобильным источником питания, позволяя электрическим устройствам работать без прямого подключения к розетке. Несмотря на то, что существует много типов батарей, основная концепция их работы остается одинаковой: один или несколько гальванических элементов преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую. Аккумулятор обычно состоит из металлического или пластикового корпуса, содержащего положительную клемму (анод), отрицательную клемму (катод) и электролиты, которые позволяют ионам перемещаться между ними.Сепаратор (проницаемая полимерная мембрана) создает барьер между анодом и катодом для предотвращения электрических коротких замыканий, а также позволяет транспортировать ионные носители заряда, необходимые для замыкания цепи во время прохождения тока. Наконец, коллектор используется для передачи заряда вне батареи через подключенное устройство.

Когда цепь между двумя клеммами замыкается, батарея вырабатывает электричество в результате ряда реакций.Анод подвергается реакции окисления, при которой два или более ионов из электролита соединяются с анодом, образуя соединение, высвобождающее электроны. В то же время на катоде происходит реакция восстановления, при которой вещество катода, ионы и свободные электроны объединяются в соединения. Проще говоря, реакция на аноде производит электроны, а реакция на катоде поглощает их, и в результате этого процесса вырабатывается электричество. Батарея будет продолжать производить электричество до тех пор, пока в электродах не закончится необходимое вещество для создания реакций.

Типы батарей и их характеристики

Батареи делятся на два основных типа: первичные и вторичные. Первичные батареи (одноразовые) используются один раз и приходят в негодность, так как материалы электродов в них необратимо изменяются в процессе зарядки. Типичными примерами являются угольно-цинковые батареи, а также щелочные батареи, используемые в игрушках, фонариках и множестве портативных устройств. Вторичные батареи (перезаряжаемые) можно разряжать и перезаряжать несколько раз, поскольку первоначальный состав электродов способен восстановить функциональность.Примеры включают свинцово-кислотные батареи, используемые в транспортных средствах, и литий-ионные батареи, используемые в портативной электронике.

Батарейки бывают разных форм и размеров для самых разных целей. Различные типы батарей имеют различные преимущества и недостатки. Никель-кадмиевые (NiCd) батареи имеют относительно низкую плотность энергии и используются там, где ключевыми факторами являются длительный срок службы, высокая скорость разряда и экономичная цена. Среди прочего, их можно найти в видеокамерах и электроинструментах. NiCd аккумуляторы содержат токсичные металлы и не наносят вреда окружающей среде.Никель-металлогидридные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем никель-кадмиевые, но и более короткий срок службы. Приложения включают мобильные телефоны и ноутбуки. Свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелые и играют важную роль в приложениях большой мощности, где важен не вес, а экономическая цена. Они широко используются в больничном оборудовании и аварийном освещении.

Литий-ионные (Li-ion) батареи используются там, где важны высокая энергия и минимальный вес, но технология хрупкая и для обеспечения безопасности требуется схема защиты.Приложения включают мобильные телефоны и различные виды компьютеров. Литий-ионно-полимерные (литий-ионные полимерные) аккумуляторы в основном используются в мобильных телефонах. Они легкие и имеют более тонкую форму, чем литий-ионные аккумуляторы. Они также обычно более безопасны и имеют более длительный срок службы. Однако они кажутся менее распространенными, поскольку литий-ионные батареи дешевле в производстве и имеют более высокую плотность энергии.

Батареи и суперконденсаторы

Хотя существуют определенные типы батарей, которые способны хранить большое количество энергии, они очень большие, тяжелые и медленно выделяют энергию.Конденсаторы, с другой стороны, способны быстро заряжаться и разряжаться, но содержат гораздо меньше энергии, чем батарея. Однако использование графена в этой области открывает захватывающие новые возможности для хранения энергии с высокими скоростями заряда и разряда и даже экономической доступностью. Таким образом, улучшенная производительность графена стирает традиционную грань различия между суперконденсаторами и батареями.

Графеновые аккумуляторы сочетают в себе преимущества как аккумуляторов, так и суперконденсаторов

Аккумуляторы на основе графена почти готовы

Аккумуляторы на основе графена обладают захватывающим потенциалом, и, хотя они еще не полностью коммерчески доступны, исследования и разработки ведутся интенсивно и, надеюсь, дадут результаты в будущем. будущее.Компании по всему миру (в том числе Samsung, Huawei и другие) разрабатывают различные типы аккумуляторов с графеновым усилением, некоторые из которых сейчас выходят на рынок. Основные области применения — электромобили и мобильные устройства.

В некоторых батареях графен используется периферийно, но не в химическом составе батарей. Например, в 2016 году компания Huawei представила новую литий-ионную батарею с улучшенным графеном, в которой используется графен, чтобы сохранять работоспособность при более высокой температуре (60 градусов по сравнению с существующим ограничением в 50 градусов) и обеспечивать удвоенное время работы.В этой батарее используется графен для лучшего отвода тепла — он снижает рабочую температуру батареи на 5 градусов.

Дополнительная литература

Графен — что это такое?

Понимание графена

Графен представляет собой одиночный слой (монослой) атомов углерода, тесно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это аллотроп углерода в виде плоскости sp2-связанных атомов с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием, равным 0.335 нм. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые можно преодолеть при отслаивании графена от графита.

Графен — это самое тонкое соединение, известное человеку, толщиной в один атом, самый легкий из известных материалов (1 квадратный метр весит около 0,77 миллиграмма), самое прочное из обнаруженных соединений (в 100–300 раз прочнее стали с пределом прочности при растяжении 130 ГПа и модуль Юнга 1 ТПа — 150 000 000 psi), лучший проводник тепла при комнатной температуре (при (4.3 Вт·м-1·К-1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2·В-1·с-1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в спиновом транспорте.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым наиболее распространенным элементом в человеческом теле и четвертым наиболее распространенным элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода.Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена произошел взрывной рост приложений в различных научных дисциплинах, при этом были достигнуты огромные успехи, особенно в высокочастотной электронике, биологических, химических и магнитных датчиках, сверхширокополосных фотодетекторах и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Первоначально единственным методом производства графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия этилена на платину, никель или карбид титана. или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований в области развития и коммерческого использования.Кроме того, использованию CVD-графена в электронике препятствовала сложность удаления графеновых слоев с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования, проведенные в 2012 году, показали, что, анализируя межфазную адгезионную энергию графена, можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращен, а также иметь возможность повторно использовать плату для будущих приложений теоретически бесконечное количество раз. таким образом, уменьшая токсичные отходы, ранее созданные в этом процессе.Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания устройств молекулярной электроники.

С тех пор исследования в области выращивания CVD-графена продвинулись семимильными шагами, что сделало качество графена неважным для технологического внедрения, которое теперь определяется стоимостью лежащей в основе металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся для последовательного производства графена на нестандартных подложках с контролем примесей, таких как рябь, уровни легирования и размер домена, а также с контролем количества и относительной кристаллографической ориентации слоев графена.

Приложения

Направление исследований графена на промышленное применение требует скоординированных усилий, таких как проект ЕС Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship подготовили уточненную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее перспективные области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и изображения, а также биомедицинские технологии.

Возможность создания суперконденсаторов из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной инженерии за долгое время.В то время как разработка электронных компонентов развивалась очень высокими темпами в течение последних 20 лет, решения для хранения энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны). , а конденсаторы и того меньше). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с компромиссом между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе первоначальных испытаний суперконденсаторы из графена с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали удельную мощность, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных аккумуляторов, которые используются сегодня.Мало того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаются, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно недороги в производстве.

«Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, широко раскрыты»

Графен также используется для повышения не только емкости и скорости заряда аккумуляторов, но и увеличения срока их службы. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов.Например, при использовании оксида графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях батареи работают намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз) и практически не уменьшают емкость между зарядками, что эффективно делает такие технологии, как электронное питание транспортные средства гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы они работали намного дольше и обладали большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать в течение нескольких секунд, а не минут или часов, и они значительно продлевают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения производства энергии, в том числе для улучшения перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих источников солнечной энергии следующего поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились значительного прогресса в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление прокладочного слоя из уменьшенного оксида графена к PSC привело к низкозатратному производству PSC с эффективностью 20%, сохраняемой до 95% после 1000 часов работы.Пилотная производственная линия и графен-перовскитовая солнечная ферма мощностью 1 кВт находятся в разработке в течение следующего периода.

Использование графена в накопителях энергии наиболее заметно исследуется благодаря использованию графена в усовершенствованных электродах. Сочетание наночастиц графена и кремния привело к созданию анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии значительно превышают 400 Втч/кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена.Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Другим применением графена, схожим с упомянутыми ранее, является применение в красках. Графен очень инертен и поэтому может выступать в качестве коррозионного барьера между диффузией кислорода и воды. Это может означать, что будущие автомобили можно будет сделать устойчивыми к коррозии, поскольку графен можно выращивать на любой металлической поверхности (при правильных условиях).Из-за своей прочности графен в настоящее время также разрабатывается в качестве потенциальной замены кевлара в защитной одежде, и в конечном итоге его можно будет увидеть в производстве автомобилей и, возможно, даже использовать в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным материалом для канала радиочастотной (РЧ) гибкой электроники. Радиочастотные и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед, с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2.45 ГГц, гибкий терагерцовый детектор и демонстрация эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет создавать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, носимые сенсорные панели, датчики деформации и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все недавно продемонстрированные, с приложениями. такие как гибкие, надежные устройства с сенсорным экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, которые уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать появления складных телевизоров и телефонов и, в конечном счете, электронных гибких газет, содержащих интересующие публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Графен чрезвычайно прозрачен, и ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь сформировала основу эпохи Интернета и, как ожидается, будет играть ключевую роль в развивающихся сетях 5G.Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, которые передают информацию со скоростью света, а также на схемах, таких как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать огромное количество информации в этих световых лучах. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических чипах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн для телекоммуникаций. Интеграция этих других полупроводников с кремнием сложна, усложняет процессы изготовления и увеличивает расходы.Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают уменьшаться в размерах, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для телекоммуникационных фотодетекторов, поскольку он поглощает свет в широкой полосе пропускания, включая стандартные телекоммуникационные длины волн. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, что обещает снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена.По этим причинам использование графена для оптических коммуникаций стало предметом интенсивных исследований, которые в настоящее время приносят плоды в виде полноценных рабочих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотодетекторов достигла 65 ГГц, используя pn-переходы графен/кремний с потенциальной скоростью передачи данных ~90 Гбит/с -1 . Уже в 2017 году графеновые фотодетекторы с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первую в мире полностью графеновую оптическую линию связи, работающую со скоростью передачи данных 25 Гбит/с -1 на канал.В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Модулятор графена обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя поток электронных данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор делал обратное, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в павильоне Graphene.

Графен, полученный с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих химических, биологических и других типов датчиков на основе графена.Двумерная природа материала обеспечивает внутренние преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как сенсорная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепло- и электропроводность, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа/пара

на основе графена привлекли большое внимание в последние годы из-за разнообразия их структур, уникальных характеристик обнаружения, условий работы при комнатной температуре и огромных перспектив применения.Помимо водяного пара, графен использовался для обнаружения таких газов, как NH 3 , NO 2 , H 2 , CO, SO 2 , H 2 S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограмм на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биодатчиков.Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и улучшенный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С помощью GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг/мл для молекул опиоидов.

Графен также является технологией, позволяющей создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля расширяется, и его размер оценивается до 4 долларов США.16 миллиардов в 2022 году. Множество целей датчиков магнитного поля, таких как определение положения, мониторинг тока, определение скорости и определение угла, открывают доступ к широкому спектру отраслей, таких как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитного датчика использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является высокая подвижность электронов.Таким образом, графен является очень интересным материалом для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей более 200 000 см 2 В -1 с -1 . В графене, инкапсулированном в нитрид бора, были продемонстрированы графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 В/АТ и чувствительностью по напряжению до 3 В/Вт. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III/V с магнитным разрешением всего 50 нТл/√Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных отраслевых пластинах составляет около ~ 3000 В / АТ.Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных КМОП-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~100 В/АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Объединяя некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно представить себе дальновидные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве. чтобы записать эту информацию и отправить ее на смартфон владельца в режиме реального времени.Такую «умную краску» также можно использовать для анализа дорожно-транспортных происшествий, чтобы определить начальные пятна контакта и последующее рассеивание энергии.

Вскоре на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с усиленным графеном, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже секунды) по дороге в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим ориентированную на безопасность одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Изменить правила игры

Таким образом, это открытие, сделанное профессором физики и его аспирантом в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило наш взгляд на потенциальные пределы наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. . Возможности того, чего мы можем достичь с имеющимися у нас материалами и знаниями, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмаленькие компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые работают неделями. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Графеновые разряды Емкость натрий-ионного аккумулятора

В наши дни эксперты по виртуальной реальности оглядываются на платформу как на первую интерактивную систему дополненной реальности, которая позволяла пользователям одновременно взаимодействовать с реальными и виртуальными объектами в единой иммерсивной реальности.

Проект начался в 1991 году, когда я представил его в рамках своего докторского исследования в Стэнфордском университете. К тому времени, когда я закончил — три года спустя и несколько прототипов — система, которую я собрал, занимала полкомнаты и использовала аппаратное обеспечение почти на миллион долларов.И я собрал достаточно данных о тестировании на людях, чтобы окончательно показать, что дополнение реального рабочего пространства виртуальными объектами может значительно повысить производительность пользователя в точных задачах.

Учитывая короткие сроки, может показаться, что все прошло гладко, но проект много раз был близок к срыву из-за ограниченного бюджета и значительных потребностей в оборудовании. На самом деле, эта попытка могла бы потерпеть крах на раннем этапе, если бы парашют — настоящий, а не виртуальный — раскрылся в ясном голубом небе над Дейтоном, штат Огайо, летом 1992 года.

Прежде чем я объясню, как авария с парашютом способствовала развитию дополненной реальности, я расскажу немного об историческом контексте.

Тридцать лет назад область виртуальной реальности находилась в зачаточном состоянии, а сама фраза была придумана только в 1987 г. Джарон Ланье, занимавшийся коммерциализацией одних из первых наушников и перчаток. Его работа основана на более ранних исследованиях Айвана Сазерленда, который первым разработал технологию отображения на голове и отслеживание головы, два важнейших элемента, которые зажгли область виртуальной реальности.Дополненная реальность (AR), то есть объединение реального мира и виртуального мира в единую иммерсивную и интерактивную реальность, еще не существовала осмысленно.

В то время я был аспирантом Стэнфордского университета и по совместительству исследователем в Исследовательский центр Эймса НАСА, заинтересованный в создании виртуальных миров. В Стэнфорде я работал в Центре исследований в области дизайна, группе, занимающейся пересечением людей и технологий, которая создала некоторые из самых первых перчаток виртуальной реальности, системы иммерсивного зрения и 3D-аудиосистемы.В НАСА я работал в Лаборатории расширенных дисплеев и пространственного восприятия Исследовательского центра Эймса, где исследователи изучали фундаментальные параметры, необходимые для создания реалистичных и захватывающих смоделированных миров.

Конечно, знать, как создавать качественные впечатления от виртуальной реальности, и уметь их создавать — не одно и то же. В то время в лучших ПК на рынке использовались процессоры Intel 486, работающие на частоте 33 мегагерца. С поправкой на инфляцию они стоили около 8000 долларов США и были даже в тысячную меньше, чем дешевый игровой компьютер сегодня.Другой вариант заключался в том, чтобы инвестировать 60 000 долларов в Рабочая станция Silicon Graphics — по-прежнему менее чем в сотые доли от скорости посредственного ПК на сегодняшний день. Таким образом, хотя исследователи, работавшие в области виртуальной реальности в конце 80-х и начале 90-х годов, проделали новаторскую работу, грубая графика, громоздкие гарнитуры и настолько сильное отставание, что у людей кружилась голова или вызывала тошноту, мешали получаемому в результате виртуальному опыту.

Эти ранние рисунки настоящей перфорированной доски в сочетании с виртуальными наложениями, сгенерированными компьютером — ранняя версия дополненной реальности — были созданы Луисом Розенбергом в рамках его проекта Virtual Fixtures. Луи Розенберг

Я проводил исследовательский проект в НАСА, чтобы оптимизировать восприятие глубины в ранних системах 3D-зрения, и я был одним из тех людей, у которых кружилась голова от отставания. И я обнаружил, что образы, созданные тогда, определенно были виртуальными , но далекими от реальности.

Тем не менее, меня не обескуражили головокружение или низкая точность воспроизведения, потому что я был уверен, что аппаратное обеспечение будет постоянно улучшаться. Вместо этого я был обеспокоен тем, насколько закрытым и изолированным я себя чувствовал в виртуальной реальности.Я хотел бы расширить технологию, взяв силу виртуальной реальности и высвободив ее в реальном мире. Я мечтал создать объединенную реальность, в которой виртуальные объекты настолько аутентично населяют ваше физическое окружение, что они кажутся подлинными частями окружающего вас мира, позволяя вам протягивать руку и взаимодействовать так, как если бы они были на самом деле.

Я знал об одном очень простом типе объединенной реальности — проекционном дисплее, который используют военные пилоты, позволяя отображать полетные данные прямо в поле их зрения, чтобы им не приходилось смотреть на приборы в кабине.Я сам не сталкивался с таким дисплеем, но познакомился с ним благодаря нескольким блокбастерам 1980-х годов, в том числе Top Gun и Terminator . В Top Gun во время воздушных боев на стеклянной панели перед пилотом появлялось светящееся перекрестие; в Terminator перекрестие соединяло текст и числовые данные как часть взгляда вымышленного киборга на окружающий мир.

Ни одна из этих объединенных реальностей не была ни в малейшей степени иммерсивной, представляя изображения на плоской плоскости, а не связанные с реальным миром в трехмерном пространстве.Но они намекнули на интересные возможности. Я думал, что смогу выйти далеко за рамки простого перекрестия и текста на плоской плоскости, чтобы создавать виртуальные объекты, которые можно было бы пространственно привязать к реальным объектам в обычной среде. И я надеялся придать этим виртуальным объектам реалистичные физические свойства.

Задание на вставление штифта по закону Фиттса включает в себя то, что испытуемые быстро перемещают металлические штифты между отверстиями. Показанная здесь доска была реальной, а конусы, помогавшие пользователю найти нужные отверстия, — виртуальными. Луи Розенберг

Мне нужны были значительные ресурсы — помимо тех, к которым я имел доступ в Стэнфорде и НАСА, — чтобы реализовать это видение. Поэтому я представил эту концепцию Группе сенсорной обратной связи Лаборатории Армстронга ВВС США, которая теперь является частью Исследовательская лаборатория ВВС.

Чтобы объяснить практическую ценность слияния реального и виртуального миров, я использовал аналогию с простой металлической линейкой. Если вы хотите провести прямую линию в реальном мире, вы можете сделать это от руки, двигаясь медленно и прилагая значительные умственные усилия, и она все равно не будет особенно прямой.Или вы можете взять линейку и сделать это намного быстрее с гораздо меньшими умственными усилиями. А теперь представьте, что вместо реальной линейки вы можете взять виртуальную линейку и заставить ее мгновенно появиться в реальном мире, идеально сочетаясь с вашим реальным окружением. И представьте, что эта виртуальная линейка ощущается физически достоверной — настолько, что вы можете использовать ее, чтобы вести свой настоящий карандаш. Поскольку он виртуальный, он может быть любой формы и размера, с интересными и полезными свойствами, которых вы никогда не сможете достичь с помощью металлической линейки.

Конечно, линейка была просто аналогией. Приложения, которые я предложил ВВС, варьировались от расширенного производства до хирургии. Например, рассмотрим хирурга, которому нужно сделать опасный разрез. Она могла использовать громоздкое металлическое приспособление, чтобы держать руку и избегать жизненно важных органов. Или мы могли бы изобрести что-то новое, чтобы улучшить хирургию — виртуальное приспособление, чтобы управлять ее настоящим скальпелем не только визуально, но и физически. Поскольку он виртуальный, такое приспособление будет проходить прямо через тело пациента, погружаясь в ткани до того, как будет сделан один разрез.Это была концепция, которая взволновала военных, и их интересовали не только личные задачи, такие как хирургия, но и удаленные задачи, выполняемые с помощью дистанционно управляемых роботов. Например, техник на Земле может отремонтировать спутник, дистанционно управляя роботом с помощью виртуальных приспособлений, добавленных к видеоизображениям реальной рабочей площадки. ВВС согласились предоставить достаточно средств, чтобы покрыть мои расходы в Стэнфорде, а также небольшой бюджет на оборудование. Возможно, что более важно, я также получил доступ к компьютерам и другому оборудованию в База ВВС Райт-Паттерсон недалеко от Дейтона, штат Огайо.

И то, что стало известно как проект «Виртуальные приспособления», воплотилось в жизнь, работая над созданием прототипа, который можно было бы тщательно протестировать на людях. И я стал бродячим исследователем, разрабатывая основные идеи в Стэнфорде, конкретизируя некоторые базовые технологии в НАСА Эймс и собирая полную систему в Райт-Паттерсон.

На этом наброске своей системы дополненной реальности Луи Розенберг показывает пользователя платформы Virtual Fixtures, одетого в частичный экзоскелет и смотрящего на настоящую перфорированную доску, дополненную конусообразными виртуальными приспособлениями. Луи Розенберг

Теперь о парашютах .

Будучи молодым исследователем, которому было немного за двадцать, мне не терпелось узнать о многих проектах, проводимых вокруг меня в этих различных лабораториях. Одним из проектов, за которым я внимательно следил в Wright-Patterson, был проект по разработке новых парашютов. Как и следовало ожидать, когда исследовательская группа придумала новый дизайн, они не просто пристегнули человека и протестировали его. Вместо этого они прикрепили парашюты к манекенам, оснащенным датчиками и приборами.Два инженера поднимались в самолете с оборудованием, сбрасывали буровые установки и прыгали рядом, чтобы наблюдать, как раскрываются парашюты. Продолжайте рассказывать мою историю, и вы увидите, как это стало ключом к разработке той ранней системы дополненной реальности.

Вернувшись к работе с виртуальными приспособлениями, я стремился доказать основную концепцию — реальное рабочее пространство можно дополнить виртуальными объектами, которые кажутся настолько реальными, что они могут помочь пользователям выполнять ловкие ручные задачи. Чтобы проверить эту идею, я не собирался заставлять пользователей делать операции или ремонтировать спутники.Вместо этого мне нужна была простая повторяемая задача для количественной оценки ручной работы. У ВВС уже была стандартная задача, которую они использовали в течение многих лет для проверки человеческой ловкости при различных умственных и физических нагрузках. Это называется Задание на установку штифта по закону Фиттса, в ходе которого испытуемые должны быстро перемещать металлические штифты между отверстиями на большой доске.

Поэтому я начал собирать систему, которая позволяла бы объединять виртуальные приборы с реальной привязкой, создавая опыт смешанной реальности, идеально зарегистрированный в 3D-пространстве.Я стремился сделать эти виртуальные объекты настолько реальными, чтобы столкновение реального колышка с виртуальным приспособлением было таким же аутентичным, как столкновение с реальной доской.

Я написал программное обеспечение для имитации широкого спектра виртуальных приспособлений, от простых поверхностей, которые не позволяли вашей руке промахнуться через целевое отверстие, до конусов тщательной формы, которые могли помочь пользователю направить реальный штифт в реальное отверстие. Я создал виртуальные оверлеи, которые имитировали текстуры и имели соответствующие звуки, даже оверлеи, которые имитировали проталкивание густой жидкости, как будто это был виртуальный мед.

Одним из предполагаемых применений дополненной реальности на момент ее создания была хирургия. Сегодня дополненная реальность используется для хирургического обучения, и хирурги начинают использовать ее в операционной. Луи Розенберг

Для большего реализма я смоделировал физику каждого виртуального элемента, точно зарегистрировав его местоположение в трех измерениях, чтобы оно соответствовало восприятию пользователем реальной деревянной доски. Затем, когда пользователь перемещал руку в область, соответствующую виртуальной поверхности, моторы в экзоскелете физически отталкивались назад — технология интерфейса, которая теперь обычно называется «тактильная».«Это действительно казалось таким аутентичным, что вы могли скользить по краю виртуальной поверхности, как вы двигали бы карандашом по реальной линейке.

Чтобы точно совместить эти виртуальные элементы с реальной накладкой, мне понадобились качественные видеокамеры. Видеокамеры в то время были намного дороже, чем сегодня, и в моем бюджете не осталось денег, чтобы купить их. Это был неприятный барьер: ВВС предоставили мне доступ к широкому спектру удивительного оборудования, но когда дело дошло до простых камер, они не могли помочь.Казалось, что они нужны каждому исследовательскому проекту, большинство из которых имеет гораздо более высокий приоритет, чем мой.

Что возвращает меня к инженерам-парашютистам, тестирующим экспериментальные парашюты. Однажды эти инженеры пришли в лабораторию, чтобы поболтать; они упомянули, что их парашют не открылся, их манекен упал на землю и уничтожил все датчики и камеры на борту.

Казалось, что это будет неудачей и для моего проекта, потому что я знал, что если в здании будут какие-то лишние камеры, инженеры их получат.

Но потом я спросил, могу ли я взглянуть на обломки их неудавшегося теста. Это был беспорядочный беспорядок из гнутого металла, оборванных цепей и разбитых камер. Тем не менее, хотя камеры с треснутыми корпусами и поврежденными объективами выглядели ужасно, я задавался вопросом, смогу ли я заставить какую-либо из них работать достаточно хорошо для моих нужд.

Каким-то чудом мне удалось собрать два рабочих блока из шести, упавших на землю. Итак, первое тестирование интерактивной системы дополненной реальности на людях стало возможным благодаря камерам, буквально упавшим с неба и врезавшимся в землю.

Чтобы понять, насколько важны эти камеры для системы, подумайте о простом приложении дополненной реальности, например Покемон Го . Если бы у вас не было камеры на задней панели телефона для захвата и отображения реального мира в режиме реального времени, это не было бы дополненной реальностью; это была бы просто стандартная видеоигра.

То же самое было и с системой Virtual Fixtures. Но благодаря камерам из этой неудачной парашютной установки я смог создать смешанную реальность с точной пространственной регистрацией, обеспечивающую иммерсивный опыт, в котором вы могли протягивать руку и взаимодействовать с реальной и виртуальной средами одновременно.

Что касается экспериментальной части проекта, я провел серию исследований на людях, в ходе которых пользователи испытывали различные виртуальные приспособления, наложенные на их восприятие реальной доски задач. Наиболее полезными приспособлениями оказались конусы и поверхности, которые могли направлять руку пользователя, когда он направлял штифт к отверстию. Наиболее эффективным был физический опыт, который было нелегко воспроизвести в реальном мире, но который легко достижим виртуально. Например, я закодировал виртуальные поверхности, которые «магнитно притягивали» штифт.Пользователям казалось, что штифт завис на поверхности. Затем они могли бы скользить по ней, пока не решат вырваться с еще одним щелчком. Такие приспособления повышали скорость и ловкость в испытаниях более чем на 100 процентов.

Из различных приложений для виртуальных приспособлений, которые мы рассматривали в то время, наиболее коммерчески жизнеспособным в то время было ручное управление роботами в удаленных или опасных условиях — например, во время очистки опасных отходов. Если расстояние связи вводило временную задержку в управление телероботом, виртуальные приборы стали еще более ценными для повышения ловкости человека.

Сегодня исследователи все еще с большим успехом изучают возможности использования виртуальных приспособлений для телероботизированных приложений, в том числе для использования в спутниковый ремонт и роботизированная хирургия.

Луи Розенберг провел некоторое время, работая в Лаборатории расширенных дисплеев и пространственного восприятия Исследовательского центра Эймса в рамках своих исследований в области дополненной реальности. Луи Розенберг

Я пошел в в другом направлении, стремясь к более массовым приложениям для дополненной реальности.Это потому, что часть проекта Virtual Fixtures, которая оказала наибольшее влияние на меня лично, заключалась не в улучшении производительности в задаче вставки привязки. Наоборот, это были широкие улыбки, которые озаряли лица людей, когда они выбирались из системы и говорили о том, какой замечательный опыт они получили. Многие без подсказки говорили мне, что однажды технология такого типа будет повсюду.

И действительно, я с ними согласился. Я был убежден, что к концу 1990-х мы увидим, как этот тип иммерсивных технологий станет мейнстримом.На самом деле, я был настолько вдохновлен восторженной реакцией людей, когда они опробовали эти ранние прототипы, что в 1993 году я основал компанию Immersion с целью разработки основных потребительских приложений. Конечно, это произошло не так быстро.

Рискуя снова ошибиться, я искренне верю, что к концу 2020-х годов виртуальная и дополненная реальность, которую сейчас обычно называют метавселенной, станет важной частью жизни большинства людей. На самом деле, основываясь на недавнем всплеске инвестиций крупных корпораций в улучшение технологии, я предсказываю, что к началу 2030-х годов дополненная реальность заменит мобильный телефон в качестве нашего основного интерфейса для цифрового контента.

И нет, никто из испытуемых, испытавших тот ранний проблеск дополненной реальности 30 лет назад, не знал, что они используют оборудование, выпавшее из самолета. Но они знали, что были одними из первых, кто протянул руку и коснулся нашего дополненного будущего.

Статьи с вашего сайта

Связанные статьи в Интернете

Дом — Прикладной графен | прикладной графен |

Устойчивое применение графена

Представляем НОВУЮ серию экологичных графеновых дисперсий Genable 1700.Экологически чистая альтернатива традиционным химическим добавкам на основе графена, которая повысит устойчивость ваших продуктов без ущерба для производительности.…

Узнать больше >
Car Care

Car Care Добавление графена в системы ухода за автомобилем значительно улучшило свойства восков, полиролей и продуктов для детейлинга. Большая площадь поверхности, барьерные свойства, низкая плотность, механическая прочность…

Узнать больше >
Краски и покрытия

Двумерная структура графена в форме нанопластин приводит к очень высокому соотношению сторон, материалам с большой площадью поверхности, которые особенно подходят для использования в качестве многофункциональных добавок в краски и покрытия.

Узнать больше >
Полимеры и композиты

Двумерная структура графена в форме нанопластин приводит к очень высоким характеристикам, высокому соотношению сторон, материалам с большой площадью поверхности, которые особенно подходят для улучшения механических и физических свойств…

Узнать больше >
Термоклеи

Двумерная графитовая природа A-GNP в форме нанопластин может использоваться для разработки очень легких материалов с высокой теплопроводностью.

Подробнее >
Смазочные материалы и функциональные жидкости

Компания AGM подписала соглашение о совместной разработке с немецкой нефтяной компанией PURAGLOBE GmbH. С момента заключения официального JDA PURAGLOBE и AGM сотрудничают, чтобы понять, как AGM…

Узнать больше >

Volexion

Основные обязанности
  • Управление исследовательскими проектами, направленными на увеличение масштабов обработки материалов, определение характеристик материалов и электрохимических характеристик, а также — разработка и тестирование ионных элементов
  • Разработка и проведение экспериментов для проверки электрохимических характеристик прототипов батарей, в т.ч.устранение неполадок и итерация
  • Сотрудничество с отраслевыми партнерами для разработки прототипов коммерческих ячеек на основе материалов Volexion
  • Обеспечение руководства и управление технической командой для обслуживания лабораторного оборудования и обеспечения непрерывности работы
Требуемая квалификация
  • B.S./M.S. электрохимия, материаловедение или смежная область
  • 3+ года опыта в области синтеза, обработки и определения характеристик аккумуляторных материалов
  • 3+ года опыта в разработке рецептур и испытаний аккумуляторных элементов
  • Способность доводить до успеха независимые и совместные исследовательские проекты
  • Эффективный коммуникатор, сотрудник и руководитель проекта
 
Предпочтительная квалификация
  • Непосредственный опыт работы с технологиями покрытия поверхности катодов и/или легирования
  • Непосредственный опыт промышленного производства и испытаний литий-ионных аккумуляторов
  • литий-ионные технологии следующего поколения
Мы приглашаем вас присоединиться к нашей команде, если вы
начинаете самостоятельно, работаете независимо и делаете все возможное
любите командную работу, стремитесь к немедленному результату и хотите быстро расти развивающаяся компания,
заблаговременно давать конструктивные отзывы и запрашивать ресурсы, необходимые для вашей миссии,
рады перевести технологию из экспериментальной в промышленную, а
может работать с нами в Чикаго и Эванстоне, штат Иллинойс, с разрешением на работу в США

Важно
Volexion сочетает в себе различные подходы из уникальных дисциплин для обеспечения пошаговых улучшений в отрасли с экспоненциальным ростом и технологическими инновациями.Чтобы использовать эту силу, мы призываем кандидатов из недостаточно представленных слоев общества подавать заявки. Наша команда набирает несколько кандидатов в области аккумуляторов и материаловедения, и мы рекомендуем вам поделиться этой и другими публикациями со своими коллегами.

Разработчик алюминиево-ионного аккумулятора заявляет, что он заряжается в 60 раз быстрее, чем литий-ионный, предлагая прорыв в области электромобилей

Революционная технология графеновых алюминий-ионных аккумуляторов может заменить литий-ионный источник энергии, … [+] плотность энергии, скорость перезарядки и экологичность. Фото: Graphene Manufacturing Group

Группа по производству графена

Беспокойство по поводу запаса хода, опасения по утилизации и быстрой зарядке могут уйти в историю электромобилей с изобретением австралийской батареи, основанной на нанотехнологиях.

Утверждается, что графеновые алюминий-ионные аккумуляторные элементы от Graphene Manufacturing Group (GMG) из Брисбена заряжаются в 60 раз быстрее, чем лучшие литий-ионные элементы, и удерживают в три раза больше энергии, чем лучшие алюминиевые элементы.

Они также безопаснее, не имеют верхнего предела силы тока, вызывающего самопроизвольный перегрев, более экологичны и легче перерабатываются благодаря их стабильным основным материалам. Тестирование также показывает, что проверочные батарейки типа «таблетка» служат в три раза дольше, чем литий-ионные версии.

GMG планирует вывести на рынок графеновые алюминий-ионные аккумуляторы в конце этого или начале следующего года, а автомобильные аккумуляторы планируется выпустить в начале 2024 года.

Основанные на революционной технологии Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Университета Квинсленда (UQ), элементы батареи используют нанотехнологию для вставки атомов алюминия внутрь крошечных отверстий в графеновых плоскостях.

Алюминий-ионная технология Graphene Manufacturing Group позволяет заряжать iPhone менее чем за 10 … [+] секунд. Он работает, помещая атомы алюминия в отверстия в графене. Фото: Graphene Manufacturing Group

Группа по производству графена

Испытания, проведенные рецензируемым специализированным изданием Advanced Functional Materials, пришли к выводу, что элементы обладают «выдающимися высокопроизводительными характеристиками (149 мАч·г-1 при 5 А·г-1), превосходя все ранее опубликованные катодные материалы AIB».

Управляющий директор GMG Крейг Никол настаивал на том, что, хотя элементы его компании были не единственными разрабатываемыми графеновыми алюминиево-ионными элементами, они, безусловно, были самыми сильными, надежными и быстро заряжающимися.

«Он заряжается так быстро, что по сути является суперконденсатором», — заявил Николь. «Он заряжает аккумулятор менее чем за 10 секунд».

Утверждается, что новые аккумуляторные элементы обеспечивают гораздо большую удельную мощность, чем современные литий-ионные батареи, без проблем с охлаждением, нагревом или редкоземельными элементами, с которыми они сталкиваются.

«Пока проблем с температурой нет. Двадцать процентов литий-ионного аккумулятора (в автомобиле) приходится на их охлаждение. Есть очень большая вероятность, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев», — заявил Николь.

«Он не перегревается и прекрасно работает при отрицательных температурах.

«Им не нужны контуры для охлаждения или нагрева, которые в настоящее время составляют около 80 кг в упаковке 100 кВтч».

Когда алюминий-ионные батареи перезаряжаются, они возвращаются к отрицательному электроду и меняют местами три алюминиевых … [+] электронов на ион по сравнению с максимальной скоростью лития всего в один. Фото: Graphene Manufacturing Group

Группа по производству графена

Никол настаивал на том, что новая технология элементов может быть промышленно адаптирована для использования внутри существующих литий-ионных корпусов, таких как архитектура MEB Volkswagen Group, что позволит избежать проблем с архитектурами автомобильной промышленности, которые, как правило, используются до 20 лет.

«У нас будут те же форма и напряжение, что и у нынешних литий-ионных элементов, или мы можем перейти к любой необходимой форме», — подтвердил Николь.

«Это прямая замена, которая заряжается так быстро, что по сути является суперконденсатором.

«Некоторые литий-ионные элементы не выдерживают более 1,5-2 ампер, иначе можно взорвать батарею, но у нашей технологии нет теоретического предела».

Алюминий-ионные аккумуляторные элементы

являются горячей площадкой для разработок, особенно для использования в автомобилях.

Одни только недавние проекты включали сотрудничество между Даляньским технологическим университетом Китая и Университетом Небраски, а также другими проектами Корнельского университета, Университета Клемсона, Университета Мэриленда, Стэнфордского университета, факультета науки о полимерах Чжэцзянского университета и промышленного консорциума European Alion. .

Различия носят технический характер, но в ячейках GMG используется графен, полученный в результате его запатентованного плазменного процесса, а не традиционного источника графита, и в результате плотность энергии в три раза выше, чем у следующего лучшего элемента из Стэнфордского университета.

Алюминий-ионный аккумулятор Graphene Manufacturing Group будет запущен в производство в начале 2022 года. Фото: … [+] Graphene Manufacturing Group

Группа по производству графена Алюминий-ионная технология Стэнфорда

с натуральным графитом обеспечивает 68.7 ватт-часов на килограмм и 41,2 ватта на килограмм, а его графитовая пена достигает 3000 Вт/кг.

Аккумулятор GMG-UQ увеличивает мощность от 150 до 160 Втч/кг и 7000 Вт/кг.

«Они (UQ) нашли способ делать отверстия в графене и способ хранить атомы алюминия ближе друг к другу в отверстиях.

«Если мы просверлим отверстия, атомы застрянут внутри графена, и он станет намного более плотным, как шар для боулинга на матрасе».

Рецензируемая публикация Advanced Functional Materials обнаружила, что трехслойный графен с перфорацией на поверхности (SPG3-400) имеет «значительное количество мезопор в плоскости (≈2.3 нм) и чрезвычайно низкое отношение O/C 2,54% продемонстрировали превосходные электрохимические характеристики.

«Этот материал SPG3-400 обладает исключительной обратимой емкостью (197 мАч·г-1 при 2 А·г-1) и выдающимися высокопроизводительными характеристиками», — говорится в заключении.

Алюминий-ионная технология имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с выдающейся технологией литий-ионных аккумуляторов, которая сегодня используется почти в каждом электромобиле.

Когда элемент перезаряжается, ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и могут обмениваться тремя электронами на ион вместо ограничения скорости лития всего одним.

Кроме того, использование алюминий-ионных элементов дает огромное геополитическое, экономическое, экологическое и повторное преимущество, поскольку в них практически не используются какие-либо экзотические материалы.

«В основном это алюминиевая фольга, хлорид алюминия (предшественник алюминия, который можно перерабатывать), ионная жидкость и мочевина», — сказал Никол.

«Девяносто процентов мирового производства и закупок лития по-прежнему осуществляется через Китай, а 10 процентов — через Чили.

«У нас есть весь необходимый нам алюминий прямо здесь, в Австралии, и его можно безопасно производить в странах первого мира.

Главный научный сотрудник группы по производству графена д-р Ашок Кумар Нанджундан (слева) и д-р … [+] Сяодань Хуанг из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета обсуждают прорыв в области аккумуляторов. Фото: Группа по производству графена.

Группа по производству графена

Зарегистрированная на бирже TSX Venture в Канаде, GMG присоединилась к технологии графеновых алюминий-ионных аккумуляторов UQ, поставив университету графен.

«Наш ведущий специалист по продуктам доктор Ашок Нанджундан участвовал в проекте Университета Квинсленда в его исследовательском центре нанотехнологий в первые дни его существования», — сказал Никол, признав, что GMG почти «повезло» с этой технологией, бесплатно поставив исследовательским проектам свой графен. .

GMG не заключила договор на поставку с крупным производителем или производственным предприятием.

«Мы еще не привязаны к крупным брендам, но это может быть встроено в Apple iPhone и заряжаться за считанные секунды», — подтвердил Николь.

«Сначала мы выведем на рынок монетоприемник. Он перезаряжается менее чем за минуту и ​​имеет в три раза больше энергии, чем литий», — говорится в сообщении Barcaldine.

«Кроме того, это гораздо менее вредно для здоровья. Ребенок может быть убит литием, если его проглотить, но не алюминием».

Аккумулятор-таблетка станет первым алюминиево-ионным аккумулятором Graphene Manufucturing Group, который будет производиться … [+] в начале следующего года. Фото: Graphene Manufacturing Group

Группа по производству графена

Еще одним преимуществом является стоимость.Стоимость лития выросла с 1460 долларов США за метрическую тонну в 2005 году до 13 000 долларов США за тонну на этой неделе, в то время как цена на алюминий выросла с 1730 долларов США до 2078 долларов США за тот же период.

Еще одним преимуществом является то, что в графеновых алюминий-ионных элементах GMG не используется медь, которая стоит около 8470 долларов США за тонну.

Несмотря на то, что GMG открыта для производственных соглашений, предпочтительный план GMG состоит в том, чтобы «использовать» технологию, насколько это возможно, сначала с установками мощностью от 10 гигаватт до 50 ГВт, даже если Австралия может не быть логическим первым выбором для производственного предприятия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.