Разработаны дешевые батареи из отработанного графита и металлолома. Будущее наших смартфонов в графитовых батареях

Ученые из Стэнфордского университета изобрели первый высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который быстро заряжается, долговечен и недорог. Исследователи говорят, что новая технология является безопасной альтернативой многих массово-производимых батарей сегодня.

«Мы разработали алюминиевый аккумулятор, который может заменить существующие устройства хранения энергии, такие как щелочные батареи, которые вредны для окружающей среды, а также литий-ионные батареи, которые иногда возгораются», - сказал Хонгжие Дай, профессор химии в Стэнфордском университете. «Наша новая батарея не загорится, даже если вы просверлите её насквозь.»

Профессор Дай и его коллеги описывают новые аккумуляторы в журнале Nature как: «сверх-быстро-перезаряжаемые алюминиево-ионные аккумуляторы».

Алюминий уже давно стал привлекательным материалом для батарей, в основном из-за его низкой стоимости, низкой горючести и высокой емкости заряда. В течение многих десятилетий исследователи безуспешно пытались разработать коммерчески жизнеспособную алюминий-ионную батарею. Основной задачей было найти материалы, способные производить достаточное напряжение после нескольких циклов заряда-разряда.

Графитовый катод

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: отрицательно заряженный анод из алюминия и положительно заряженный катод.

«Люди пробовали различные виды материалов для катода,» сказал Дай. «Мы случайно обнаружили, что простое решение заключается в использовании графита, который состоит в основном из углерода. В нашем исследовании мы определили несколько типов графитового материала, которые дают нам очень хорошую производительность.»

В экспериментальных батареях, команда Стэнфордского университета помещала в алюминиевый анод и графитовый катод в ионный жидкий электролит, в гибкий полимерный пакет с покрытием.

Исследователи Стэндфордского университета за работой над алюминиево-ионным аккуумлятором

«Электролит в основном состоит из растворов солей, а это жидкость при комнатной температуре, поэтому это очень безопасно,» - сказал аспирант Стэнфорда Мин Гун. «Алюминиевые батареи безопаснее, чем обычные литий-ионные батареи, используемые в миллионах портативных компьютеров и мобильных телефонов на сегодняшний день, добавил профессор Дай. «Литий-ионные батареи могут стать причиной возникновения пожара», сказал он. В качестве примера он указал на недавнее решение авиакомпании Юнайтед энд Дельта, запрещающее перевозить литиевые батареи на пассажирских самолетах.

«В нашем исследовании на видео мы показываем, что вы можете просверлить аккумуляторную оболочку, но они будут продолжать работу некоторое время и не загорятся», - сказал Дай.

Одним из достоинств аккумуляторов является их является ультра-быстрая зарядка. Владельцы смартфонов знают, что это может занять несколько часов, при зарядке литий-ионных аккумуляторов. Разработчики новых аккумуляторов заявили «беспрецедентную скорость», до одной минуты у прототипа аккумулятора.

Долговечность является еще одним важным фактором. Алюминиевые батареи, разработанные в других лабораториях обычно теряют емкость уже всего после 100 циклов заряда-разряда. Батарея Стэнфордского университета в состоянии выдержать более 7500 циклов без какой-либо потери мощности. «Это первая модель алюминиево-ионных батарей, с ультра-быстрой зарядкой, со стабильностью в тысячи циклов», - пишут авторы. Для сравнения: типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает около 1000 циклов.

«Другой особенностью алюминиевой батареи является гибкость,» - сказал Гонг. «Вы можете согнуть его и сложить, поэтому у аккумулятора есть потенциал для применения в гибких электронных устройствах. Алюминий также более дешевый металл, чем литий.»

Применение

В дополнение к использованию в портативных электронных устройствах, алюминиевые батареи могут быть использованы для хранения возобновляемой энергии в электросетях.

«Сетям нужна батарея с длительным жизненным циклом, которые могут быстро накапливать и выделять энергию», - объяснил Дай. «Наши последние неопубликованные данные свидетельствуют о том, что алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз. Трудно представить себе строительство огромного литий-ионного хранилища для сетевого резервирования.»

«Алюминий-ионная технология также предлагает экологически чистую альтернативу одноразовым щелочным батареям», - сказал Дай. «Миллионы потребителей используют элементы типа АА и ААА напряжением 1,5 вольт. Наш аккумулятор генерирует около двух вольт электричества. Это выше, чем кто-либо добился с алюминием, но дальнейшее улучшение аккумулятора позволит достичь напряжения литий-ионных батарей » - добавил он.

«Пока плотность хранения алюминиево-ионных аккумуляторов составляет около 40 Вт*час/кг, в то время как у литий-ионных 100-206 Вт*час/кг. Но улучшение катодного материала, в конечном итоге, может увеличить напряжение и плотность энергии. В противном случае, наша батарея уже имеет все, что вы хотели иметь в батарее: недорогие электроды, хорошую безопасность, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный срок службы » - сообщил профессор Хонгжие Дай.

Конечно, батарейку легко купить в любом магазине хозтоваров, электроники или в гипермаркете. Однако ради интересных опытов и получения знаний "школы жизни" все же стоит знать, как сделать батарейку своими руками. Тем более процесс такой работы весьма занимательный и несложный.

Батарейка из лимона: два варианта

Для первого варианта вам будет нужен:

• собственно лимон;
• оцинкованный гвоздь;
• 2 небольших отрезка медной проволоки;
• медная монетка;
• небольшая лампочка.

Процесс работы таков:

1. Сделайте на фрукте два надреза на некотором расстоянии друг от друга.
2. В один надрез поместите гвоздь, а в другой - монетку.
3. И к гвоздю, и к монете подсоедините по кусочку проволоки. Вторые концы этого импровизированного проводка должны соприкасаться с контактами лампочки.
4. И все - да будет свет!

Самодельную батарейку из кислого фрукта можно сделать и с помощью:

• одного того же лимона;
• канцелярской скрепки;
• лампочки;
• 2-х отрезков изолированной медной проволоки диаметром 0,2-0,5 мм и длиной 10 см.

Алгоритм следующий:

1. Зачистите 2-3 см изоляции на концах каждой из проволок.
2. Прикрепите оголенную часть одного проводка к скрепке.
3. Сделайте в лимоне два надреза в 2-3 см друг от друга - по ширине скрепки и для второго проводка. Вставьте эти элементы во фрукт.
4. Свободные кончики проволоки приложите к контактной части лампочки. Если она не загорелась, значит, выбранный лимон не достаточно мощен - последовательно соедините несколько фруктов между собой и повторите опыт.

Батарейка из картофеля

Запаситесь:

• двумя картофелинами;
• тремя проводами с зажимами;
• двумя хромированными гвоздями;
• двумя медными гвоздями.

Итак, как сделать батарейку из клубней:

1. Дайте условное обозначение каждой из картофелин - "А" и "Б".
2. В края каждого из клубней воткните по хромированному гвоздику.
3. В противоположный край - медный гвоздь. В теле картошек гвозди не должны пересекаться.
4. Возьмите какое-либо устройство, питающееся от батарейки, выньте ее и оставьте отсек открытым.
5. Первый провод должен соединить медный штырек клубня "А" с положительным полюсом в отсеке батарейки.
6. Второй провод соединяет хромированный штырек картофелины "В" с отрицательным полюсом.
7. Последний провод соединяет хромированный гвоздь клубня "А" с медным гвоздем клубня "Б".
8. Как только вы замкнете таким образом все провода, картошка начнет питать устройство энергией.

Картофель в этом опыте можно заменить на банан, авокадо или любой из цитрусовых.

Батарейка из фольги, картона и монеток

Перед тем как сделать батарейку, приготовьте:

• медные монетки;
• уксус;
• соль;
• картон;
• фольгу;
• скотч;
• два кусочка изолированной медной проволоки.

Все готово? За дело:

1. Сначала нужно капитально очистить монетки - для этого налейте уксус в стеклянную емкость, добавьте туда же соли и засыпьте деньги.
2. Как только поверхности монеток преобразились и заблестели, выньте их из тары, возьмите одну и 8-10 раз обведите ее контур на картоне.
3. Вырежьте картонные кругляшки по контуру. Затем поместите их в тару с уксусом на некоторое время.
4. Сложите фольгу несколько раз так, чтобы в итоге получилось 8-10 слоев. Обведите на ней монетку и также вырежьте круглые детали по контуру.
5. На этом этапе начните собирать батарейку. Делается это так: медная монета, картон, фольга. В таком порядке сложите в столбик все имеющиеся у вас компоненты. Завершающим слоем должна быть только монетка.
6. Снимите с кончиков проводков изоляцию.
7. Отрежьте небольшую полоску скотча, приклейте на нее один кончик проводка, сверху поставьте импровизированную батарейку, на нее - кончик второго проводка. Надежно закрепите конструкцию клейкой лентой.
8. Вторые кончики проволоки подсоедините к "+" и "-" устройства, которое необходимо напитать энергией.

Вечная батарейка

Приготовьте:

• стеклянную банку;
• серебряный элемент - например ложку;
• пищевую пленку;
• медный провод;
• 1 чайную ложку поваренной соды;
• 4 пузырька глицерина;
• 1 чайную ложку 6 % яблочного уксуса.

1. Плотно обмотайте ложку пищевой пленкой, оставив ее верхний и нижний конец слегка оголенным.
2. Теперь настало время обмотать ложку поверх пленки медной проволокой. Не забудьте оставить длинные концы в начале и в конце для контактов. Делайте пространство между витками.
3. И снова слой пленки, а за ним - проволоки таким же методом. Слоев "пленка-проволока" на этой импровизированной катушке должно быть не менее семи. Не затягивайте слои чересчур - пленка должна наматываться свободно.
4. В стеклянной банке подготовьте раствор из глицерина, соли и уксуса.
5. После того как соль растворится, в раствор можно погружать катушку. Как только жидкость помутнеет, "вечная" батарейка будет готова к эксплуатации. Срок ее службы напрямую зависит от содержания серебра в элементе-основе катушки.

Графитовый стержень: применение

Графитовая составляющая из старых батареек - это не только основа для нового источника энергии, но и элемент, который можно использовать для электросварки. Делается это по нехитрой схеме:

1. Заточите графитовый стержень из старой батарейки под углом в 30-40 градусов.
2. Зажимом типа "крокодил" с токонепроводящей ручкой подсоедините его к "+" и "-" источника переменного или постоянного тока.
3. К зачищенной детали подключить "0" и "-".
4. Электрод по мере выгорания необходимо периодически затачивать.

Как сделать батарейку дома? Потребуются подручные материалы, немного энтузиазма и усидчивости. В обмен вы получите альтернативные источники энергии.

Сегодня смартфоны, независимо от производителя и моделей, имеют одну и ту же повторяющуюся проблему – автономность, время работы устройства от одной подзарядки. Если сегодня одним из самых популярных и самых автономных смартфонов является Galaxy Note, то время его работы было бы несколько лет назад просто смешным. Раньше телефон можно было зарядить и целую неделю не думать о том, что нужно поискать розетку и зарядное устройство. Теперь инженеры и исследователи находятся в поисках более современного аккумулятора или новых технологий.

Группа исследователей из Университета Вандербильта (штат Теннесси) смогла создать прототип революционной батареи. Представьте себе возможность заряжать смартфон всего за несколько секунд и при этом он потом сможет проработать несколько недель.

Но нам придется отказаться от нынешнего типа батарей, которые могут оказаться в ближайшее будущее атавизмом, ведь в будущем батареи будут представлять собой супер-конденсаторы. Работать они будут на кремниевом чипе с графеном, который за счет своей пористой структуры будет собирать на себе заряд. Если попытаться найти аналог, то представьте себе пористый сыр, а сам материал имеет огромное преимущество для хранения электроэнергии.

Прототип батареи был создан путем объединения оксида графена с гидразином в воде с использованием ультразвука. Полученное вещество потом нагревается до 140 градусов по Цельсию и затем в течение 5 часов выдерживают под давлением 300кг/см2. В конце концов, получается чрезвычайно пористый графен. Всего 1 грамм такого вещества имеет площадь поверхности больше, чем баскетбольная площадка. К примеру, если заряжать всего 3 секунды грамм такого материала, то заряда хватит на горение светодиода в течение 5 минут.

С такими возможностями в будущем вопрос подзарядки уже будет полностью исключён. Также есть и другая вторичная положительная черта – смартфоны могут быть еще тоньше и легче. Батарея будущего с использованием новой технологии сможет отработать до 5000 циклов, что хватит примерно на 100 лет, а также она будет гибкой и сам материал еще биоразлагаемый.

Очевидно, что с такими свойствами графен станет очень популярным материалом для производства смартфонов, но его наверняка станут использовать и в других сферах – автомобили, компьютеры и т.д.

25.05.2012 (9:38) Просмотров: 3284 Рейтинг: 2.00 Голосов: 2 Теги: графит , пена , электрод , аккумулятор , LiPF 6 , >> Ваша оценка -2 -1 0 1 2

Исследователи из США продемонстрировали, что ультратонкая графитовая пена может использоваться в качестве принципиально нового типа катода в литий-ионных аккумуляторах. Легкая и хорошо проводящая пена оказывается электрохимически стабильнее веществ, применяемых на сегодняшний день. Кроме того, ее можно легко и дешево изготовить, соответственно, пена может уже в ближайшем будущем начать конкурировать с такими распространенными катодными материалами, как алюминиевая и никелевая фольга.

В современных литий-ионных аккумуляторах катоды, обеспечивающие передачу электронов от топливной ячейки до внешней цепи, обычно изготавливаются из алюминиевой или никелевой фольги порядка 20 – 30 мкм толщиной. Но, несмотря на высокую производительность, алюминиевая фольга не может эффективно собирать электроны из-за своей плоской структуры, ограничивающей плотность мощности всей батареи, построенной на основе этого материала. Данная проблема еще больше усугубляется для толстых катодов, которые порой применяются для увеличения плотности энергии аккумулятора. Кроме того, алюминий коррозирует во многих растворах электролитов, что приводит к медленной саморазрядке и общему «старению» аккумулятора.

Как утверждают американские ученые, альтернативой алюминию и никелю может стать сверхтонкий графит в виде графитовой пены. В своей последней работе группа ученых из University of Texas (США) исследовала взаимодействие ультратонкого графита и фосфата лития железа (LFP) в рамках процесса, во многом напоминающего процесс производства литий-ионных аккумуляторов.

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что ультратонкий графит не страдает от большинства недостатков алюминиевой или никелевой фольги. Этот материал представляет собой взаимосвязанную сеть хорошо проводящих перемычек из графита (плотность которых 1,3*10 5 см -1 при комнатной температуре), в значительной степени содействующих передаче электронов проводимости внутри катода и, соответственно, повышению плотности мощности аккумулятора.

Сверхлегкая пена может выдержать большую плотность энергии и мощности, чем обычные электронные материалы, такие как алюминий и никелевая фольга. Поскольку отношение площади поверхности к объему ультратонкого графита является крайне высоким по сравнению с его массой (вещество имеет плотность порядка 9,5 мг/см 3), для производства катодов требуется гораздо меньше материала, по сравнению с эквивалентной массой необходимой алюминиевой фольги. Плотность энергии, таким образом, также увеличивается. Подсчеты показали, что максимальная удельная мощность ультратонкого графита на 23% выше аналогичного показателя для алюминия и на 170% - того же параметра для никеля.

Но и это не все особенности графитовой пены. Исследования показали, что ультратонкий графит является крайне стабильным в таких электролитах, как LiPF 6 , при потенциалах до 5В. Это означает, что батареи, созданные с помощью этого материала, не будут подвержены коррозии и, следовательно, процессу саморазряда. Это особенно хорошая новость для пользователей устройств, работающих при высоких напряжениях, в частности, электрических и гибридных автомобилей. По мнению исследователей, разработанные ими катоды из графитовой пены могут быть использованы именно в таких приложениях.

В ближайшем будущем команда планирует провести оптимизацию размера пор и толщины стенок ультратонкого графита для еще большего повышения мощности и плотности энергии. Если процесс усовершенствования закончится успехом (в чем сами ученые не сомневаются), ультратонкий графит найдет свое применение и в других приложениях, например, в топливных элементах и суперконденсаторах.

В 2015 году средствами массовой информации предрекался большой спрос на графит в связи с необходимостью удовлетворения спроса на литий-ионные аккумуляторы, вызванного повышением популярности электротранспорта. Возникли спекуляции, предсказывающие дефицит графита, ведь для большой аккумуляторной системы электромобиля этого вещества требуется порядка 25 килограммов. Хотя на сегодняшний день стоимость и доступность графита не вызывают беспокойства, существует небольшая тенденция к удорожанию этого материала.

Изготовление графитового анода чистотой 99,99 процентов является весьма дорогостоящим процессом, который к тому же оставляет после себя значительное количество отходов. Конечная стоимость такого анода не столько зависит от материала, сколько от процесса очистки. Утилизация и повторное использование старых графитовых анодов требуют еще больше средств ввиду более сложного процесса регенерации.

Углерод и графит – родственные вещества. Графит является аллотропной формой углерода, - структурной модификацией, которая происходит путем скрепления молекул друг с другом особым образом. Графит является наиболее стабильной формой углерода. Алмаз, метастабильный аллотроп углерода, известный своими превосходными физическими свойствами, является менее стабильным, чем графит, несмотря на то, что графит более мягкий и податливый.

Термин графит берет корни от греческого “graphein”. Это термостойкий, электро- и теплопроводный, химически пассивный (коррозионно стойкий) и легкий (легче алюминия) материал. Кроме анодов для литий-ионных аккумуляторов, высококачественный графит также используется в топливных элементах, солнечных батареях, полупроводниках, светодиодах и ядерных реакторах.

Углеродное волокно представляет собой длинную тонкую прядь толщиной около 5-10 мкм, что составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса. Атомы углерода, соединенные вместе в микроскопические кристаллы, формируют сильную межатомную связь. Из таких волокон можно формировать невероятно прочные структуры, и уже сегодня из них создаются рамы для велосипедов и корпусные детали для автомобилей и самолетов, способные заменить классические алюминиевые. Только 5 процентов графита уходит на нужды отрасли электрических батарей.

Графит для промышленности доступен в двух формах - природный графит из шахт и синтетический из нефтяного кокса. Как правило, обе эти формы используются для производства анодов для литий-ионных аккумуляторов, но у синтетической есть небольшое преимущество - она занимает 55 процентов этого рынка.

Производители предпочитают синтетический графит из-за его превосходной консистенции и высокой степени чистоты в сравнении с природным. Но уже существуют современные методы очистки, которые позволяют добиться чистоты природного графита на уровне 99,9 процента, тогда как синтетический графит изначально имеет 99,0 процентов.

Очищенный природный графит имеет лучшую кристаллическую структуру и обеспечивает более высокую электро- и теплопроводность в сравнении с синтетическим. Также переход на природный графит позволяет уменьшить конечную стоимость аккумулятора, сохранив ту же производительность. Синтетический графит для литий-ионной электрохимической системы продается по цене около $ 10.000 за тонну, тогда как природный в виде порошка имеет цену $ 7 000 (цены указаны за 2015 год). Помимо меньшей цены, природный графит более экологичен и служит основой для создания материала будущего - графена.

Графен

Графен представляет собой аллотроп углерода в виде двумерной гексагональной решетки. Представленный в виде листа чистого углерода, графен имеет толщину всего в один атом. Это гибкий, прозрачный, непроницаемый для влаги, тверже, чем алмаз и более проводящий, чем золото, материал. Научное сообщество возлагает огромные надежды на графен и ожидает, что с его помощью можно будет улучшить много устройств, в том числе, и электрические батареи.

Считается, что анод из графена может запасать больше энергии в сравнении с графитовым, а также способен уменьшить время зарядки в десять раз. Также значительно улучшатся нагрузочные характеристики и долговечность батареи, использующей графеновый анод.

При использовании традиционных графитовых анодов ионы лития накапливаются вокруг внешней поверхности электрода. Графеновый анод же позволяет этим ионам проникать внутрь себя, используя крошечные отверстия в графеновых пластинах - размером порядка 10-20 нм. Это свойство обеспечивает оптимальную зону хранения и доступности ионов, позволяя таким образом добиться более чем десятикратного увеличения количества возможной энергии в сравнении с классическим графитовым анодом.

Но электрическая батарея и с графеновым анодом может быть усовершенствована, например, добавлением оксида ванадия к катоду. Экспериментальные батареи показывают удивительные результаты, такие как зарядка в течение 20 секунд и сохранение 90 процентов емкости после 1000 циклов заряда/разряда. Использование графена также возможно и в других областях, например, в суперконденсаторах он используется для увеличения удельной энергоемкости. На рисунке 1 показана уникальная решеточная структура графена, которую мы можем наблюдать с помощью сканирующей зондовой микроскопии.

Рисунок 1: Изображение структуры графена с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Графен представляет из себя лист из чистого углерода толщиной всего в один атом. Это гибкий, прозрачный, непроницаемый для влаги, крепче, чем алмаз, и более проводящий, чем золото материал. Каждый атом углерода располагает тремя электронами, которые формируют химическую связь с ближайшими соседями.

Ученые теоретически знали о удивительных свойствах графена на протяжении десятилетий, но только недавно технологии настолько продвинулись, что стало возможным получить это вещество. Пока что не существует массовых устройств, использующих преимущества графена в своей работе, но есть все предпосылки, что эра графена уже не за горами. (Смострите BU-104c: