Почему мы до сих пор пользуемся литий-ионными аккумуляторами вместо графеновых

 Где же обещанные графеновые аккумуляторы? Давайте разбираться.

Литий-ионные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя на рынке — уже пару десятков лет они обеспечивают энергией наши девайсы и готовых решений, которые могли бы взять и полноценно заменить их, на горизонте пока не предвидится. Неужели это венец творения и у них нет недостатков? Отнюдь.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

• Недолговечность. Литий-ионные батареи теряют емкость примерно на 10-15% в год, а для смартфонов 1000 циклов разрядки/зарядки уже можно считать пределом. 
• Чувствительность к температуре. Литиевые аккумуляторы плохо переносят перепады температур — работа при слишком низких или слишком высоких температурах приводит к деградации батареи. 

• Чувствительность к мощной зарядке. Слишком быстрая зарядка ведет к излишнему выделению тепла и может приводить к замыканию и выходу аккумулятора из строя. 
• Потенциальная опасность. Литий — редкоземельный металл, который стоит недешево, а его добыча и производство аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде.

Ученые считают, что решить эти проблемы — хотя бы частично — может графен. А некоторые уверяют, что потенциально он даже способен совершить настоящую революцию в устройствах для хранения энергии. Так ли это?

Что такое графен

Графен — это углерод, такой же, как графит или алмаз. Химическая формула у них идентична, но способ соединения атомов углерода друг с другом определяет свойства материала. Атомы в графене расположены в пространстве особым образом — это лист толщиной всего в один атом, причем атомы углерода образуют в нем шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Такая структура наделяет графен неординарными свойствами. Это отличный проводник, он прочнее стали, но при этом гибкий и эластичный. 

Чем отличаются графеновые аккумуляторы от литий-ионных

Хотя литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию схожим образом, в конструктивных аспектах и областях применения они отличаются друг от друга — с точки зрения срока службы, безопасности и скорости передачи энергии. Главное преимущество графеновых батарей — отличная способность рассеивать тепло.

С увеличением тепловой энергии растет сопротивление проводников, что приводит к деградации аккумулятора. Поэтому ученые начали добавлять графен в литий-ионные аккумуляторы для улучшения характеристик. Такие батареи известны как гибридные — они имеют большую зарядную емкость, меньшую массу, увеличенный срок службы и уменьшенное время зарядки по сравнению с «традиционными» аккумуляторами.

Почему не делают «чисто графеновые» батареи

Коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах до сих пор не существует. Причиной тому является высокая стоимость и сложность получения графена. Но это еще не все. Главное, что графен не очень подходит для долгосрочного хранения энергии — и вот почему.

В литиевых аккумуляторах заряд накапливается благодаря тому, что ионы лития проникают внутрь графитового анода. Если вместо графита для изготовления анода применить графен, ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. 

Саморазряд батареи в этом случае будет гораздо более заметным. Зато концепция, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий взять и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Добавлением графена в электроды можно повысить их проводимость, хотя по сути батарея останется литиевой.

Что ждет литий-ионные аккумуляторы

На самом деле литиевые батареи тоже не стоят на месте, а развиваются, просто скорее эволюционно, чем революционно. Технология литий-ионных аккумуляторов еще не достигла своего предела и, вероятно, именно графен поможет еще больше раскрыть их потенциал.

По мнению ученых, он может повысить энергоемкость аккумуляторов и даже скорость зарядки. Экспериментируют с гибридными литий-ионными батареями с добавлением графена такие гиганты, как Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Nanotech и другие компании.

Перспективы

Аккумуляторы прогрессируют — это факт. Но графен едва ли способен устроить настоящую революцию на рынке батарей — скорее он поможет улучшить характеристики «традиционных» элементов питания. По крайней мере, в обозримом будущем.

Потому что несмотря на все неоспоримые достоинства графена, в настоящее время он все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения коммерциализации — прежде всего из-за чрезвычайно высокой стоимости производства. Возможно, когда-нибудь графен и станет следующей ступенью в индустрии аккумуляторов, но пока до этого далеко.

А пока советуем почитать наши обзоры телефонов с мощными батареями:

• Самый мощный кнопочный телефон с мощной батареей: битва ветеранов
• Обзор суперзащищенного смартфона Doogee S86: IP68 и батарея 8500 мАч
• Танк в мире смартфонов: обзор Fly Power Plus XXL с огромной батареей