Чистая комната
7 февраля 2026
Графен, лист атомов углерода, связанных вместе в виде сотовой решетки, получил широкое признание как «чудесный материал» из-за множества 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 электродов аккумуляторов (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 улучшать такие характеристики батареи, как плотность энергии и форму различными способами. 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 повышения качества аккумуляторов. Гибрид оксида ванадия (VO2) и графен, например, могут использоваться на литий-ионных катодах и обеспечивают быструю зарядку и разрядку, а также длительный цикл зарядки. В этом случае ВО2 предлагает высокую энергоемкость, но плохую электропроводность, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», к которой можно прикрепить VO.2 – создание гибридного материала, обладающего как повышенной емкостью, так и отличной проводимостью.
Другим примером являются аккумуляторы LFP (литий-железо-фосфатные), которые представляют 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, комбинированное использование графеновых аккумуляторов и графена суперконденсаторы 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.
Батареи служат мобильным источником энергии, позволяя устройствам, работающим от электричества, 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.
Аккумуляторы 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.
Батареи бывают разных форм и размеров для бесчисленного множества 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.
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 удерживают 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 между суперконденсаторы и батареи.
Графеновые аккумуляторы сочетают в себе преимущества аккумуляторов и суперконденсаторов.
Аккумуляторы на основе графена обладают захватывающим потенциалом, и, хотя они еще не полностью доступны для коммерческого использования, исследования и разработки ведутся интенсивно и, мы надеемся, дадут результаты в будущем. 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, а не в химическом составе батареи. Например, в 2016 г. Huawei представила новый литий-ионный аккумулятор с улучшенным графеном который использует графен, чтобы оставаться функциональным при более высокой температуре (60 градусов по сравнению с существующим ограничением в 50 градусов) и предлагает удвоенное время работы. В этой батарее используется графен для лучшего отвода тепла — он снижает рабочую температуру батареи на 5 градусов.
Источник: Графеновые батареи: введение и новости рынка | Графен-Инфо
С 1992 Applied Physics Корпорация является ведущим мировым поставщиком стандартов для точного контроля загрязнений и метрологии. Мы специализируемся на визуализации воздушных потоков, стандартах размера частиц и решениях для дезинфекции чистых помещений в критически важных условиях.
