Графен – найтонший у світі матеріал, винайдений 10 років тому. Вчені сподіваються, що з його допомогою вдасться створити легші та довговічніші, а головне – значно енергоємніші батареї, які пригодяться у сфері електротранспорту та відновлювальної енергетики. Активні дослідження можливостей прикладного застосування графенових технологій уже проводять, зокрема британські та американські науковці.
Графен – вуглецева плівка, товщиною один атом. За винахід цього наноматеріалу 2010 р. присудили Нобелівську премію з фізики.
Манчестер – батьківщина графену: саме тут 2004 року вперше вдалося створити цей двовимірний, завтовшки всього один атом, алотроп вуглецю. Манчестерський університет став осередком прикладних та фундаментальних графенових досліджень; очолив розробки спеціально створений в його рамках Національний графеновий інститут.
Така увага є недаремною: новий матеріал обіцяє революцію в електротехніці та хімічних технологіях. Він – потужний провідник, неймовірно легкий, хімічно інертний та гнучкий, володіє великою площею поверхні. Нано-субстанція стала знахідкою для вчених, що працюють над створенням великоємнісних накопичувачів енергії.
Невдовзі після відкриття графену експерименти засвідчили: літійні батареї з новим матеріалом в електродах порівняно зі звичайними мають більші ємність і термін експуатації. Роботу над створенням ефективніших енергонакопичувачів продовжить новий проект «Електрохімічне енергозберігання з застосуванням графеновмісних матеріалів».
«Проте, перш ніж створювати батареї потрібно дізнатися, як графен взаємодіє з різними хімічними компонентами – особливо електролітами», – зазначає професор Школи електроніки та електротехніки Манчесреського університету Ендрю Форсайт. Його колега, професор Роберт Драйф зі Школи хімії, аналізує хімічну взаємодію графена та іонів літію. Також професор Драйф вивчає швидкість передавання електронів через нано-матеріал та величину електроємності – обсяг електричної енергії, який можна зберігати на графенових поверхнях.
Ще одним напрямком проекту є розробка суперконденсаторів на графенній основі: вони мають більшу потужність та довше служать порівняно з батареями, проте їм властива менша енерго-акумуляційна здатність.
Професор Форсайт вважає: поєднання графенових батарей та суперконденсаторів може серйозного просунути розвиток електромобілів. Сьогодні ці екоавтівки використовують батареї, вагою у 200 кг. – стільки ж важать троє пасажирів. Зменшивши масу батарей, графен різко збільшить ефективність електрокарів та радіус їхньої дії.
«Якщо ми збільшимо віддалі, які можуть долати автомобілі без підзарядки, це зробить їх популярнішими», – каже професор Форсайт. – «Але як батареї справлятимуться з навантаженням під час реальної поїздки? Навантаження на автотранспорт впродовж подорожі не є рівномірним. Різкі піки споживання енергії (коли водії тиснуть на «газ») навантажують батарею та обмежуватимуть строк її придатності».
Саме тому тестові графенові батареї та суперконденсатори планують випробовувати в умовах імітації реального водіння. Також перевірять реакцію нових батарей на екстремальні погодні умови, особливо на холод.
Застосування графенових акумуляторів вигідне не лише сфері екотранспорту. Користь від них може отримати й галузь відновлювальної енергетики – зокрема сонячні та вітрові електростанції. Адже коли сонце надовго заходить за хмари або панує штиль, суттєво падає виробнитцво електроенергії. Великоємнісні батареї зможуть запасати електрику, щоб потім компенсовувати спади в її виробництві.
Для успішного здійснення прикладних досліджень манчестерські науковці налагодили співпрацю з низкою комерційних структур, зокрема, з компаніями «Rolls-Royce», «Sharp» та «Morgan Advanced Materials». Загалом «Graphene@Manchester» налагодив зв’язок більше, ніж з 30 компаніями зі всього світу.
Робота над графеновими технологіями триває не лише у Великій Британії. Дослідники з Каліфорнійського університету у Ріверсайді нещодавно розробили новітній суперконденсатор з використанням оксиду рутенію та графенової піни. Винахід забезпечить електромобілям швидший розгін, а портативниій електроніці – довше життя батарей. «Пінний» електрод витримав 8000 циклів розрядки-зарядки без падіння експлуатаційних показників.
Зреферував Олег КАЧАН
Оригінал за посиланнями
http://phys.org; http://www.sciencedaily.com.
28.05.2014