Grafén és elemek
A grafén, egy méhsejt-rácsos mintázatban összekötött szénatomok lapja, rendkívül elismert „csodaanyag” számtalan elképesztő tulajdonsága miatt. Erőteljes elektromos és hővezető, rendkívül könnyű kémiailag közömbös, és nagy felülettel rugalmas. Környezetbarátnak és fenntarthatónak is tekinthető, számos alkalmazási lehetőséggel korlátlanul.
A grafén akkumulátorok előnyei
Az akkumulátorok területén a hagyományos akkumulátorelektródák (és a leendő anyagok) jelentősen javulnak, ha grafénnel javítják őket. A grafén akkumulátor lehet könnyű, tartós és alkalmas nagy kapacitású energiatárolásra, valamint lerövidítheti a töltési időt. Meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, ami negatívan kapcsolódik az anyagra bevont vagy a vezetőképesség elérése érdekében az elektródákhoz hozzáadott szén mennyiségéhez, a grafén pedig növeli a vezetőképességet anélkül, hogy a hagyományos akkumulátorokban használt szénmennyiségre lenne szükség.
A grafén különféle módokon javíthatja az akkumulátor tulajdonságait, például az energiasűrűséget és a formát. A lítium-ion akkumulátorok (és más típusú újratölthető akkumulátorok) továbbfejleszthetők, ha grafént visznek be az akkumulátor anódjába, és kihasználják az anyag vezetőképességét és nagy felületi jellemzőit a morfológiai optimalizálás és teljesítmény elérése érdekében.
Azt is felfedezték, hogy a hibrid anyagok létrehozása hasznos lehet az akkumulátor javításának eléréséhez. A vanádium-oxid hibridje (VO2) és a grafén például Li-ion katódon használható, és gyors töltést és kisütést, valamint nagy töltési ciklus tartósságot biztosít. Ebben az esetben a VO2 nagy energiakapacitást, de gyenge elektromos vezetőképességet kínál, ami megoldható úgy, hogy a grafént egyfajta szerkezeti „gerincként” használjuk, amelyre a VO-t rögzítjük2 – olyan hibrid anyag létrehozása, amely megnövelt kapacitással és kiváló vezetőképességgel rendelkezik.
Egy másik példa az LFP (Lithium Iron Phosphate) akkumulátorok, amelyek egyfajta újratölthető Li-ion akkumulátor. Kisebb az energiasűrűsége, mint más Li-ion akkumulátoroknak, de nagyobb a teljesítménysűrűsége (az akkumulátor energiaellátásának sebességét jelzi). Az LFP katódok grafénnel történő javítása lehetővé tette, hogy az akkumulátorok könnyűek legyenek, sokkal gyorsabban töltsenek, mint a Li-ion akkumulátorok, és nagyobb kapacitásúak legyenek, mint a hagyományos LFP akkumulátorok.
Az akkumulátorpiac forradalmasítása mellett a grafén akkumulátorok és a grafén kombinált használata rok elképesztő eredményeket hozhat, mint például az elektromos autók hatótávolságának és hatékonyságának növelésére vonatkozó ismert koncepció. Míg a grafén akkumulátorok még nem értek el széles körben kereskedelmi forgalomba, az akkumulátor áttörésekről számolnak be szerte a világon.
Az akkumulátor alapjai
Az akkumulátorok mobil áramforrásként szolgálnak, lehetővé téve, hogy az elektromosan működő eszközök anélkül működjenek, hogy közvetlenül a konnektorhoz kellene csatlakoztatni őket. Bár sokféle akkumulátor létezik, működésük alapkoncepciója hasonló marad: egy vagy több elektrokémiai cella alakítja át a tárolt kémiai energiát elektromos energiává. Az akkumulátor általában fém vagy műanyag burkolatból készül, pozitív pólust (anódot), negatív pólust (katódot) és elektrolitokat tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az ionok közötti mozgást. A szeparátor (áteresztő polimer membrán) gátat hoz létre az anód és a katód között, hogy megakadályozza az elektromos rövidzárlatokat, miközben lehetővé teszi az ionos töltéshordozók szállítását, amelyek szükségesek az áramkör lezárásához az áram áthaladása közben. Végül egy kollektort használnak a töltés levezetésére az akkumulátoron kívül, a csatlakoztatott eszközön keresztül.
Amikor a két kivezetés közötti áramkör befejeződött, az akkumulátor egy sor reakción keresztül áramot termel. Az anód oxidációs reakción megy keresztül, amelyben az elektrolitból származó két vagy több ion az anóddal egyesülve vegyületet hoz létre, amely elektronokat szabadít fel. Ugyanakkor a katód redukciós reakción megy keresztül, amelyben a katódanyag, az ionok és a szabad elektronok vegyületekké egyesülnek. Egyszerűen fogalmazva, az anódreakció elektronokat termel, míg a katód reakciója elnyeli azokat, és ebből a folyamatból elektromosság keletkezik. Az akkumulátor addig folytatja az áramtermelést, amíg az elektródákból ki nem fogy a reakciók létrejöttéhez szükséges anyag.
Az akkumulátor típusai és jellemzői
Az akkumulátorok két fő típusra oszthatók: elsődleges és másodlagos. Az elsődleges akkumulátorok (eldobhatóak) egyszer használatosak és használhatatlanná válnak, mivel a bennük lévő elektródák anyaga visszafordíthatatlanul megváltozik a töltés során. Gyakori példa erre a cink-szén akkumulátor, valamint a játékokban, zseblámpákban és számos hordozható eszközben használt alkáli elem. A másodlagos akkumulátorok (újratölthető) többször is kisüthetők és újratölthetők, mivel az elektródák eredeti összetétele képes visszanyerni a működőképességét. Ilyenek például a járművekben használt ólom-savas akkumulátorok és a hordozható elektronikában használt lítium-ion akkumulátorok.
Az akkumulátorok különböző formájú és méretűek, számtalan különböző célra. A különböző típusú akkumulátoroknak különböző előnyei és hátrányai vannak. A nikkel-kadmium (NiCd) akkumulátorok energiasűrűsége viszonylag alacsony, és ott használatosak, ahol a hosszú élettartam, a nagy kisütési sebesség és a gazdaságos ár kulcsfontosságú. Többek között videokamerákban és elektromos szerszámokban is megtalálhatók. A NiCd akkumulátorok mérgező fémeket tartalmaznak, és nem környezetbarátak. A nikkel-fém-hidrid akkumulátorok energiasűrűsége nagyobb, mint a NiCd akkumulátoroké, ugyanakkor rövidebb az élettartamuk is. Az alkalmazások között megtalálhatók a mobiltelefonok és a laptopok. Az ólom-savas akkumulátorok nehezek és fontos szerepet játszanak a nagy teljesítményű alkalmazásokban, ahol nem a súly a lényeg, hanem a gazdaságos ár. Elterjedtek olyan alkalmazásokban, mint a kórházi berendezések és a vészvilágítás.
A lítium-ion (Li-ion) akkumulátorokat ott használják, ahol fontos a nagy energia és a minimális súly, de a technológia törékeny, és védelmi áramkör szükséges a biztonság érdekében. Az alkalmazások között szerepelnek mobiltelefonok és különféle számítógépek. A lítium-ion polimer (Li-ion polimer) akkumulátorok többnyire mobiltelefonokban találhatók. Könnyűek, és vékonyabb formát élveznek, mint a Li-ion akkumulátorok. Általában biztonságosabbak és hosszabb élettartamúak. Úgy tűnik azonban, hogy kevésbé elterjedtek, mivel a Li-ion akkumulátorok gyártása olcsóbb, és energiasűrűsége is nagyobb.
Elemek és szuperkondenzátorok
Bár vannak bizonyos típusú akkumulátorok, amelyek nagy mennyiségű energiát képesek tárolni, nagyon nagyok, nehezek és lassan adják le az energiát. A kondenzátorok viszont gyorsan tudnak tölteni és kisütni, de sokkal kevesebb energiát tárolnak, mint egy akkumulátor. A grafén ezen a területen történő alkalmazása azonban izgalmas új lehetőségeket kínál az energiatárolás terén, magas töltési és kisütési sebességgel, sőt gazdaságos megfizethetőséggel. A grafén által továbbfejlesztett teljesítmény ezáltal elmossa a hagyományos különbségtételi vonalat rok és akkumulátorok.
A grafén akkumulátorok egyesítik az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok előnyeit
A grafénnel feljavított akkumulátorok már majdnem itt vannak
A grafén alapú akkumulátorok izgalmas lehetőségeket rejtenek magukban, és bár még nem érhetők el teljesen a kereskedelemben, a kutatás-fejlesztés intenzív, és remélhetőleg a jövőben eredményeket fog hozni. Világszerte a vállalatok (beleértve a Samsungot, a Huaweit és másokat is) különféle típusú grafénnal kiegészített akkumulátorokat fejlesztenek, amelyek közül néhány már most is megjelenik a piacon. A fő alkalmazások az elektromos járművekben és a mobileszközökben vannak.
Egyes akkumulátorok perifériás módon használják a grafént – nem az akkumulátor kémiájában. Például 2016. A Huawei bemutatta új, grafénnel továbbfejlesztett Li-Ion akkumulátorát amely grafént használ, hogy magasabb hőmérsékleten is működőképes maradjon (60°, szemben a jelenlegi 50°-os határértékkel), és duplán hosszabb működési időt biztosít. Grafént használnak ebben az akkumulátorban a jobb hőelvezetés érdekében – 5 fokkal csökkenti az akkumulátor üzemi hőmérsékletét.
Forrás: Grafén akkumulátorok: Bevezetés és piaci hírek | Graphene-Info
