Сколько бы человечество ни билось над проблемой запасания впрок кулонов и электронов, природа подкидывает ему все более каверзные задачи и запасенная энергия находит новые лазейки для того, чтобы утечь в самый неподходящий момент. Особенно этот процесс усиливается в морозы – столь обыкновенное явление для России. Идеальным решением для автомобилиста стал бы такой аккумулятор, в который умещается раз в 10 больше энергии, а процесс зарядки занимает нескольких секунд. И если ученые сумеют справиться к капризным и непостоянным веществом, получившим название графен, эта фантастическая мечта осуществится.
Углерод, как основа мироздания
Основное вещество, из которого создано все сущее и живое на планете Земля – это углерод. Соединяясь в причудливые кристаллические решетки и объединяясь с другими веществами, из него получаются ткани человеческого тела, насекомых и растений. В чистом виде он представлен графитом, очень распространенным в природе веществом. Возможно, вы будете оскорблены, но мозг, управляющий рукой, и грифель карандаша, удерживаемого ею, идентичны по химическому составу на атомном уровне.
Графит применяется везде. Это и карандашный грифель, и смазка, и деталь электротехнических устройств, и многое, многое другое. Сфера его применения становится еще большей, если удаётся сделать такой срез, чтобы трехмерная кристаллическая решетка графита стала двухмерной, толщиной в один атом углерода.
На рисунке представлена кристаллическая решетка графита.
Первые, кому удалось механически расщепить графит на атомном уровне, – наши соотечественники Константин Новосёлов и Андрей Гейм. Случилось это в 2004 году. В России они признания не нашли, зато были обласканы в Нидерландах и уже в 2010 году получили Нобелевскую премию по химии за открытие нового вещества, получившего название «графен».
Сами понимаете, такую кучу денег за тривиальную графитовую пыль не заплатят. Надо, чтобы вещество обладало уникальными свойствами.
Графен – почти мистика
Графен – двухмерная кристаллическая структура атомов углерода – обладает рядом уникальных физических свойств. Например, при толщине листа в 91 Пм (1 пикометр – это 10-12 обычной метрической единицы измерения) он выдерживает нагрузку в 4 килограмма.
Это кристаллическая решетка графена
Для электроники и электротехники это вещество является просто подарком, ведь оно унаследовало от графита отличную тепло- и электропроводность. Графен способен заменить полупроводники на основе дорогих редкоземельных металлов, при этом получаемые из него элементы в несколько раз меньше. Это дает толчок к дальнейшему уменьшению размеров носимой электроники. Но и это еще не все – унаследовав от графита еще и тепловую стойкость, графен позволяет увеличить допустимую мощность микроэлектронных схем.
Кристалл, раскатанный в плоскость, сам по себе имеет огромный поверхностный заряд, поскольку напряженность поля электронных облаков атома не тратится на удержание в трехмерной структуре. Плоский кристалл может накопить еще больший заряд, и сделать это практически мгновенно, ведь потоку электронов сопротивляется всего один атом. Аккумуляторы с графеновым катодом емкостью в 55 А/час заряжаются за 8 секунд.
Борьба с атомным естеством
Сложность изготовления и применения графена в том, что он стремится стать обычным графитом с трехмерной кристаллической структурой. Происходит это потому, что каждый атом углерода имеет электромагнитное поле и представляет собой однополярный магнит. Он обязательно должен к чему-нибудь «приклеиться», за счет чего образуются новые вещества, имеющие трехмерную кристаллическую структуру. Ученые уже научились бороться за то, чтобы графен оставался в виде плоской атомной решетки. Запатентованных ими способов чрезвычайно много, но они так сложны для понимания, что неискушенному обывателю лучше принять на веру – у них это получается. При этом им еще и удается свернуть его в трубку, значительно увеличивая общую площадь кристалла.
Графеновые аккумуляторы
Аккумуляторы с использованием графена работают на том же принципе электрохимической реакции, что и широко распространенные свинцовые с кислотным или щелочным электролитом.
По устройству они очень похожи на литий-ионные аккумуляторы с твердым электролитом. Сейчас в них в качестве катода применяется угольный кокс, вещество по химическому составу близкое к чистому углероду.
Существует два принципиально разных направления создания графеновых аккумуляторов. В ученые из США предлагают использовать в качестве анода такого накопителя энергии всё то же соединение – кобальтат лития (LiCoO2), а катод делать из перемежающихся пластин кремния и графена.
В инженеры из России предлагают заменить дорогую и токсичную соль лития на дешевый оксид магния. И в том, и в другом случае емкость аккумулятора увеличивается, как и скорость прохождения ионов между электродами за счет высокой электрической проницаемости графена и его способности накапливать электрический заряд. В оценке преимуществ инновационной техники ученые разнятся: наши утверждают, что емкость графеновых аккумуляторов в 2,5 раза больше, чем литий-ионных, а зарубежные – что в десять.
Массовое производство аккумуляторов с графеновыми катодами началось в конце 2015 года. Например, такие делает корпорация Graphenano из Испании. Ими оснащают электрокары, работающие на логистических площадках. Опыт их практического применения подтвердил, что на полную зарядку требуется 8 секунд, а длина пробега между ними увеличилась с 500 до 800 километров.
Как показывали по телевизору в «научной» передаче про графен, для получения графена нужно взять чистый графит, наклеить на него скотч, и отодрать этот скотч. К нему приклеится слой графита толщиной в несколько атомов (может быть даже толщиной в 1 атом) . Вот этот тончайший слой и называют графеном, и, якобы, он обладает какими-то уникальными необычными свойствами. Лично я в эти сказки про графен не верю, считаю, что это такие же россказни, как про планету Глория.
Что бы верить или не верить в то или иное как в реальность или ложь, необходимо доказать. Как в случае с богом. Некоторые считают что он есть, некоторые считают что его нет. Ни то ни другое не доказуемо. Делайте выводы.
Где же тогда эти хвалёные графеновые аккумуляторы в телефонах,ноутбуках,планшетах, где они нужны как никогда,литий-ионный аккумулятор придумали десятки лет назад и я не поверю, что за всё это время не смогли придумать ничего совершеннее, тоже самое с ионной жидкостью.