0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сломать, чтобы улучшить: дефектный графен может заменить платину в батареях и не только

Содержание

Ученые заменяют платину трехмерным графеном в солнечных элементах

На пути солнечной энергетики много преград, в том числе и экономических. В производстве солнечных ячеек используется один из самых дорогих металлов нашей планеты: платина. Даже небольшое его количество делает солнечные ячейки весьма дорогими. Ведь всего за одну унцию (

28,35 грамм) этого серебристого металла приходится платить 1 тысячу 500 долларов США. Но, похоже, ученые нашли наконец-то способ заменить драгоценную платину дешевым трехмерным графеном. Да, современной науке приходится думать не только над тем, как создать провода, выдерживающие сверхнизкие температуры, но и о том, как сделать свои разработки недорогими и несложными для внедрения.

Ученые из Мичиганского технологического университета Юн Хан Ху, а также Кэролл и Чарльз Мак-Артур разработали новый и, что самое важное, недорогой материал, который назвали 3D-графеном, то есть трехмерным графеном. Он способен заменить платину в солнечных ячейках без потери ими своей эффективности.

Обычный графен является двухмерной формой углерода, толщиной всего в одну молекулу или близко к тому. Ученым удалось синтезировать уникальную трехмерную версию, своей структурой напоминающую пчелиные соты. Для этого они соединили оксид лития с окисью углерода. В результате химической реакции получился карбонат лития (Li2CO3) и графен в форме медовых сот.

Li2CO3 позволяет графеновым листам поддерживать форму и изолирует их друг от друга, предотвращая образование обычного графита. К тому же, частицы Li2CO3 могут быть легко удалены из трехмерной сотоподобной структуры графена при помощи кислоты.

Ученые отмечают превосходную электропроводимость и высокую каталитическую активность нового материала. Это позволит использовать его в накопителях и преобразователях энергии. Трехмерным графеном можно заменить платиновые электроды в солнечных элементах. Так и сделали. Элемент питания поместили под солнышко и посмотрели на результаты.

Солнечный элемент с электродом из нового трехмерного графена преобразовал в электричество 7,8 % солнечной энергии. У элемента с платиновым электродом результат близкий: 8 %. Процесс синтеза подобного медовым сотам трехмерного графена, как отмечает Юн Хан Ху, не является ни дорогостоящим, ни сложным. Так что особых трудностей на пути внедрения нового материала не предвидится.

Современная наука работает сразу во многих направлениях. Помимо многого другого, она создает необычайно емкие батареи и удешевляет солнечную энергию.

До тех пор, пока мы не научимся получать энергию из реакции термоядерного синтеза, самым эффективным и экономичным способом ее добычи будут атомные станции. Только они могут обеспечить огромное количество энергии с минимальными затратами топлива. Проблема в другом. Все это топливо после того, как переходит в разряд ”отработанного ядерного топлива” (ОЯТ), становится бременем для нашей планеты. […]

Даже те, кто родился уже после чернобыльской аварии, наверняка про нее слышали. Не удивительно, ведь это одна из самых серьезных техногенных катастроф в истории человечества. Как минимум, она одна из самых известных и широко освещаемых в массовой культуре катастроф. Про нее снимали фильмы и сериалы, писали книги и научные труды. Сейчас эта территория стала местом […]

Если вы любите комиксы (и фильмы) Marvel, то знаете, что во вселенной, созданной Стэном Ли, самым прочным материалом на Земле является металл вибраниум. Из него, в частности, сделан щит Капитана Америки и костюм черной пантеры, в родной стране которого – Ваканде – он и был найден. В комиксах этот материал существует в нескольких вариантах и […]

Ученые заменяют платину трехмерным графеном в солнечных элементах

На пути солнечной энергетики много преград, в том числе и экономических. В производстве солнечных ячеек используется один из самых дорогих металлов нашей планеты: платина. Даже небольшое его количество делает солнечные ячейки весьма дорогими. Ведь всего за одну унцию (

28,35 грамм) этого серебристого металла приходится платить 1 тысячу 500 долларов США. Но, похоже, ученые нашли наконец-то способ заменить драгоценную платину дешевым трехмерным графеном. Да, современной науке приходится думать не только над тем, как создать провода, выдерживающие сверхнизкие температуры, но и о том, как сделать свои разработки недорогими и несложными для внедрения.

Ученые из Мичиганского технологического университета Юн Хан Ху, а также Кэролл и Чарльз Мак-Артур разработали новый и, что самое важное, недорогой материал, который назвали 3D-графеном, то есть трехмерным графеном. Он способен заменить платину в солнечных ячейках без потери ими своей эффективности.

Обычный графен является двухмерной формой углерода, толщиной всего в одну молекулу или близко к тому. Ученым удалось синтезировать уникальную трехмерную версию, своей структурой напоминающую пчелиные соты. Для этого они соединили оксид лития с окисью углерода. В результате химической реакции получился карбонат лития (Li2CO3) и графен в форме медовых сот.

Li2CO3 позволяет графеновым листам поддерживать форму и изолирует их друг от друга, предотвращая образование обычного графита. К тому же, частицы Li2CO3 могут быть легко удалены из трехмерной сотоподобной структуры графена при помощи кислоты.

Читать еще:  Powercom Phantom PTM-600AP: ИБП на каждый день

Ученые отмечают превосходную электропроводимость и высокую каталитическую активность нового материала. Это позволит использовать его в накопителях и преобразователях энергии. Трехмерным графеном можно заменить платиновые электроды в солнечных элементах. Так и сделали. Элемент питания поместили под солнышко и посмотрели на результаты.

Солнечный элемент с электродом из нового трехмерного графена преобразовал в электричество 7,8 % солнечной энергии. У элемента с платиновым электродом результат близкий: 8 %. Процесс синтеза подобного медовым сотам трехмерного графена, как отмечает Юн Хан Ху, не является ни дорогостоящим, ни сложным. Так что особых трудностей на пути внедрения нового материала не предвидится.

Современная наука работает сразу во многих направлениях. Помимо многого другого, она создает необычайно емкие батареи и удешевляет солнечную энергию.

До тех пор, пока мы не научимся получать энергию из реакции термоядерного синтеза, самым эффективным и экономичным способом ее добычи будут атомные станции. Только они могут обеспечить огромное количество энергии с минимальными затратами топлива. Проблема в другом. Все это топливо после того, как переходит в разряд ”отработанного ядерного топлива” (ОЯТ), становится бременем для нашей планеты. […]

Даже те, кто родился уже после чернобыльской аварии, наверняка про нее слышали. Не удивительно, ведь это одна из самых серьезных техногенных катастроф в истории человечества. Как минимум, она одна из самых известных и широко освещаемых в массовой культуре катастроф. Про нее снимали фильмы и сериалы, писали книги и научные труды. Сейчас эта территория стала местом […]

Если вы любите комиксы (и фильмы) Marvel, то знаете, что во вселенной, созданной Стэном Ли, самым прочным материалом на Земле является металл вибраниум. Из него, в частности, сделан щит Капитана Америки и костюм черной пантеры, в родной стране которого – Ваканде – он и был найден. В комиксах этот материал существует в нескольких вариантах и […]

Литий-ионный против графена

Раньше вы заряжали телефон один раз в неделю. Конечно, это было тогда, когда все, что вы делали, были текстовые сообщения и звонили людям. Теперь, когда смартфоны постоянно увеличиваются в размерах, мощности и сложности, требования к аккумуляторам становятся гораздо более агрессивными.

Литий-ионные элементы справились с этой задачей, питая все современные смартфоны, планшеты и различные интеллектуальные устройства, но вам повезет, что вы получите более одного дня без подзарядки. Разнообразие энергозатратных устройств не имеет признаков ослабления и потенциально разрушительного воздействия, которое это окажет на и без того хрупкую среду, производители ищут новые, более эффективные способы подачи энергии на наши экраны. Одно имя, которое вырисовывается на горизонте — графен, и мы посмотрим, что этот революционный материал может принести на стол..

Что такое графен?

Графен невероятен. Он был описан как «атомная проволочная сетка» из-за своей сотовой структуры, но это удивительное вещество имеет толщину всего в один атом. Это аллотроп углерода и обладает множеством удивительных свойств, которые вполне могут означать, что это новый удивительный материал, который можно использовать для самых разных целей..

Об этих чудесах размышляли в течение многих лет, с первоначальной концепцией, выдвинутой в 1947 году, но до 2004 года это вещество было изготовлено в виде единого слоя учеными Андре Геймом и Константином Новоселовым, заработав им Нобелевскую премию 2010 года за Физика в процессе.

Итак, что графен предлагает в практическом плане? Ну, так как материал невероятно прочный, легкий и может эффективно накапливать энергию, он предлагает идеальный баланс для нового типа батарей.

Является ли графен лучше литий-ионного?

Литий-ионная технология была чрезвычайно успешной для смартфонов, позволяя устройствам становиться невероятно мощными благодаря возможностям батарей сохранять энергию и доставлять ее безопасно и стабильно..

Проблема заключается в том, что литий-ионные элементы по-прежнему ограничены по продолжительности их работы, ухудшаются со временем (как вы будете знать, если вы будете хранить свои смартфоны более двух лет), и по-прежнему они физически велики по сравнению к тонкости, которой одержимы производители телефонов.

Новейшая технология быстрой зарядки означает, что вы можете вернуться к полной мощности из разряженного в течение часа или около того, но это также сказывается на здоровье батареи.

Перспектива графена заключается в том, что благодаря его способности не только эффективно проводить электричество и тепло, но также его прочности и чрезвычайной легкости, он может быть использован для создания аккумуляторов, которые обладают гораздо большей емкостью, чем современные литий-ионные модели. , но и перезарядить в доли времени.

Откройте смартфон сегодня (на самом деле, не делайте этого, поскольку все они теперь склеены), и вы увидите, что его батарея занимает большую часть объема. Если бы это можно было уменьшить за счет использования графена, то производители могли бы упаковать еще больше технологий в одно и то же пространство или уменьшить общий размер самого телефона, обеспечивая при этом более длительное время автономной работы и сверхбыструю зарядку..

Когда прибудут графеновые батареи?

В некотором смысле, графен уже вышел на рынок смартфонов. Huawei Mate 20 X, ниже, и Mate 30 Pro включают графеновую пленку в свою систему охлаждения, которая значительно снижает тепло даже при использовании в тяжелых играх — одно из других преимуществ материала.

Но, по слухам, первый смартфон с полностью графиновым аккумулятором поступит от Samsung в 2020 или 2021 году, возможно, в одной из его флагманских линейок Galaxy. Эван Бласс (@evleaks), технический блогер, которому часто удается приобрести точные порции новых продуктов, написал в Твиттере, что «Samsung надеется получить хотя бы одну трубку в следующем году или в 2021 году, как мне сказали, в которой будет графен». батарея вместо. Возможность полной зарядки менее чем за полчаса.

Читать еще:  Веб в трех измерениях: пять сервисов для работы с 3D-графикой в браузере

Это не удивительно, так как корейская компания уже впервые использовала графен в литий-ионных батареях для улучшения емкости и скорости зарядки..

Другие производители также изучают графен, и мы недавно рассмотрели новый Elecjet Powerbank, в котором используется композит с графеном, что означает, что его можно полностью зарядить за 18 минут, а затем дважды зарядить стандартный смартфон.

В то время как графен вряд ли будет широко распространен в следующем году или около того, обещание его многих чудес, похоже, придет в самое ближайшее время и может стать серьезным шагом вперед для мобильных технологий, а также в других секторах..

Нажмите здесь, чтобы получить лучшие предложения Samsung и коды ваучеров Samsung.

Сломать, чтобы улучшить: дефектный графен может заменить платину в батареях и не только

Углерод широко используется в электрохимии. Новый тип углеродных электродов в виде графена обещает намного полнее раскрыть потенциал этого вещества. Датчики, солнечные панели, аккумуляторы ― всё это и многое другое благодаря исследованию свойств графена может стать лучше. Не в последнюю очередь это произойдёт благодаря новым теоретическим изысканиям российских учёных.

Иллюстрация. Дефектный графен. Дизайнер Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Ученые из МФТИ, Сколтеха и Объединенного института высоких температур РАН теоретически исследовали и подвели фундаментальную научную основу под такое явление, как перенос электрона на поверхности графена с дефектами структуры. Вариантов нарушения упорядоченной структуры графена может быть несколько: одиночная и двойная вакансии, дефект Стоуна-Уэльса, примесный атом азота, -O- и -OH группы. Каждое из изменений оказывает значительное влияние на скорость переноса.

Что это даёт? Как выяснилось и было доказано теоретически, привнесение дефектов в идеальный графеновый лист ведёт к росту плотности электронных состояний на границах раздела графен/раствор. Это катализирует процесс переноса электронов. Рост скорости переноса может достигать 10-кратного значения. Окислительно-восстановительные реакции в присутствии дефектного графена начинают идти намного быстрее.

Дефектный графен получает шанс стать дешёвым заменителем платиновых или иридиевых катализаторов в топливных элементах и металл-воздушных батареях. Другое возможное применение графена с дефектами ― это электрохимические датчики. В зависимости от типа дефекта, как доказали учёные, перенос электронов можно выборочно ускорить на определенный класс реагентов в растворе. Датчики смогут срабатывать даже на исчезающе небольшое присутствие в воздухе или растворах опасных веществ.

Данные об исследовании были опубликованы в журнале Electrochimica Acta. Осталось дождаться экспериментального подтверждения теоретических выкладок.

Пять технологических прорывов: как графен изменит нашу жизнь

Графен недаром называют «суперматериалом». Попробуйте представить прозрачную пленку, которая в 60 тысяч раз тоньше пищевой, но при этом в 200 раз прочнее стали и остается удивительно гибкой! Графен обладает высокой электропроводностью, остается прозрачным, даже уложенный во множество слоев, и может быть синтезирован из любых источников углерода — от карандашных грифелей до самого обыкновенного песочного печенья.

С момента своего открытия он вызвал огромный научный интерес и настоящую «золотую лихорадку патентов», в которой отметились такие компании, как Apple, IBM, Lockheed Martin и множество других по всей планете. Лидером по числу зарегистрированных заявок стал Китай (2200). На втором месте США (1700), на третьем Южная Корея (чуть менее 1200).

Что особенно приятно, графен неизменно ассоциируется с именами двух выходцев из России Андрея Гейма и Константина Новоселова, получивших в 2010 году Нобелевскую премию по физике за основополагающие эксперименты с этим уникальным материалом.

Исследования в самом разгаре, и графену предстоит еще долгий путь, чтобы полноценно выйти на рынок технологий. Но он обладает таким набором идеальных характеристик, что рано или поздно вытеснит многие нынешние материалы. Ему пророчат тысячи способов применения, но, как считает Business Insider, достаточно и пяти, чтобы от перспектив захватило дух.

1. Батареи

Современные мобильные устройства имеют свойство быстро разряжаться, и это одна из главных причин недовольства пользователей. На помощь спешит графен: в 2011 году инженеры Северо-Западного университета (США, штат Иллинойс) обнаружили, что графеновые аноды эффективнее графитовых, да и заряжаются раз в 10 быстрее. С тех пор ученые усиленно экспериментируют с графеновыми составами, чтобы получить идеальное соотношение свойств, качества, мощности и цены.

В мае 2014 года исследователи в университете Райса (штат Техас) выяснили, что на основе оксида ванадия, покрытого слоем графена (относительно недорогое решение), можно создать батареи, способные заряжаться всего за 20 секунд, сохраняя при этом более 90% своей емкости даже после тысячи циклов.

2. Компьютерные схемы

В 2013 году ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета по примеру структур ДНК смоделировали наноструктуры с использованием графена, которые можно встраивать в электронные схемы. Правда, прежде чем заменить кремний в нынешних компьютерных микросхемах, нужно еще серьезно усовершенствовать процесс.

3. Смартфоны

Не исключено, что графен будет основным материалом при создании смартфонов будущего. Только представьте себе смартфон, который можно скручивать и гнуть, как вам заблагорассудится, и которому ничего не сделается, даже если сбросить его с крыши высотного дома!

4. Солнечные элементы

Графен поможет человечеству получить такой доступ к энергии, которого оно не знало прежде. Одно дело — батареи для телефонов и «умных часов», но еще больше возможностей открывается в области восполняемой природной энергии.

Сейчас в производстве солнечных ячеек используется платина — один из самых дорогих металлов (1500 долларов за унцию). Но специалисты Мичиганского технологического университета нашли способ заменить платину недорогим трехмерным графеном. Причем, благодаря его свойствам — превосходной электропроводимости и высокой каталитической активности, солнечные батареи не потеряют в эффективности.

Читать еще:  Пять профессиональных фотоаппаратов по стоимости iPhone 11 Pro Max

5. Внедрение в живую ткань

В 2012 году журнал Nature предсказал, что графен можно будет использовать для создания бионических имплантатов. А позже в Манчестерском университете восторженно заявили, что графен умеет буквально «говорить с клетками» — то есть, взаимодействовать с биологическими системами. В конечном счете это поднимет Интернет вещей к новым высотам.

Когда ждать «графенового будущего»?

В целом, перспективы применения графена практически безграничны: бытовые приборы, антенны, системы опреснения воды, окна, краска, крылья самолетов, теннисные ракетки, устройства секвенирования ДНК, шины, чернила и многое многое другое.

Вместе с тем потребуются годы или даже десятилетия, чтобы промышленность перешла на графен. Сейчас она основана на кремнии, и главный критерий здесь — цена, которую вы готовы платить, объясняют ученые. Такие компании, как Intel, пустили миллиарды долларов на оборудование, оптимизированное под кремний, и без убедительных доказательств, едва ли не главный из которых — коммерческая выгода, они не будет готовы с ним расстаться.

Pixel-Story.ru

Графеновые аккумуляторы. Что они из себя представляют и почему за ними будущее

Батареи смартфонов довольно технологичны в наши дни. Но есть одна вещь, которую потребители никак не могут получить увеличение времени автономной работы батареи.

Разве не было бы замечательно, если бы наши телефоны работали в течение двух или трех полных дней интенсивного использования с одной зарядкой? С графеновыми аккумуляторами это может быть осуществимо.

Графеновые аккумуляторы пока не применяются в смартфонах и других гаджетах, но технология развивается семимильными шагами. В будущем графен может стать материалом, который заменит литий, от которого индустрия электроники столь зависима.

Несмотря на то, что мы все еще далеки от коммерциализации графеновых технологий, в том числе аккумуляторов, все же стоит знать чем эта технология может помочь в будущем.

В данной статье вы сможете найти почти все, что связано с графеновыми аккумуляторами.

Графеновый аккумулятор – что это?

Прежде чем углубиться в тему графеновых аккумуляторов, стоит быстро вспомнить, что такое графен и как он работает.

Вкратце, графен представляет собой совокупность атомов углерода, тесно связанных в гексагональную или сотовую структуру. Что делает графен таким уникальным, так это то, что данная структура имеет толщину всего в один атомный слой, что делает графеновый слой двумерным.

Эта двумерная структура обладает очень интересными свойствами, включая превосходную электро и теплопроводность, высокую гибкость, прочность и малый вес. Что нас особенно интересует, так это проводимость электричества и тепла, которая на самом деле превосходит медь самый проводящий металлический элемент.

Суперконденсаторы обеспечивают работу аккумуляторов, которые дольше служат и заряжаются практически мгновенно

Когда дело доходит до аккумуляторов, возможности графена могут быть использованы разными способами. Идеальное использование графена в качестве батареи это «суперконденсатор». Суперконденсаторы накапливают ток точно так же, как и обычная батарея, но могут невероятно быстро заряжаться и разряжаться.

Нерешенный проблема с графеном заключается в том, как экономически массово изготовить сверхтонкие листы для использования в батареях и других технологиях. Затраты на производство в настоящее время чрезмерно высоки, но исследования помогают сделать графеновые батареи более доступными.

Графен против лития

Как и в литий-ионных (Li-ion), в графеновых батареях используются две проводящие пластины, покрытые пористым материалом, погруженные в раствор электролита. Но хотя их внутренняя структура очень похожа, две батареи обладают разными характеристиками.

Графеновые аккумуляторы предлагает более высокую электропроводность, чем литий-ионные. Это в свою очередь позволяет быстрее заряжать элементы.

Это особенно полезно, например, для электромобилей или обратной зарядки. Высокая теплопроводность также означает, что батареи меньше нагреваются, продлевая срок службы даже в тесных корпусах.

Графеновые батареи также легче и тоньше, чем современные литий-ионные аккумуляторы. Иными словами производитель сможет поставить большие батареи при этом не испытывая нехватку места.

Литий-ионный аккумулятор накапливает до 180 Вт/ч энергии на килограмм, а графен — до 1000 Вт/ч на килограмм.

Наконец, графен безопаснее. Хотя литий-ионные аккумуляторы и сейчас безопасны, но мы можем вспомнить как минимум десяток крупных инцидентов, например с Galaxy Note 7.

Перегрев, перезарядка или деформация могут вызвать химический дисбаланс в литий-ионных батареях, что может привести к пожару. Графен в этом плане гораздо более стабилен, гибок и прочен, более устойчив к таким проблемам.

Литий-ионные аккумуляторы могут использовать графен для улучшения характеристик катодного проводника. Они известны как гибриды оксида графена и металла.

Гибридные батареи обеспечивают меньший вес, более быстрое время зарядки, большую емкость и длительный срок службы. Первые потребительские графеновые батареи, вероятно, будут гибридами.

Как графеновые аккумуляторы помогут смартфонам

Смартфоны которые в будущем получат графеновые аккумуляторы вполне смогут продемонстрировать преимущества изложенные выше.

Будущие смартфоны, работающие на графеновых батареях, продемонстрировали бы преимущества, изложенные выше.

Устройства будут заряжаться еще быстрее, время работы от батареи легко сможет составить больше двух или даже трех дней работы, бонус станет снижение веса, а также это позволит сделать смартфон тоньше.

Графен поможет увеличить емкость аккумуляторов до 60%, кроме того мы помним что графеновые батареи будут холоднее, что положительно скажется на сроке службы.

Кроме того, графеновые батареи позволят смартфонам заряжать другие устройства также быстро, как если бы мы заряжали гаджет с помощью обычного зарядного устройства.

Хотя технология еще не представлена в коммерческих устройствах и производители не торопятся ставить их в свои устройства, мы можем сделать вывод, что графеновые батареи требуют доработку, но в тоже время есть практически достоверная информация, что Huawei все же поставят графеновую батарею в Huawei P40.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector