Графенова революція, або як графен змінить майбутнє

А чи коли-небудь ви задумувались над тим, що теперішня літієва технологія акумуляторних пристроїв дійшла до своєї межі. І для майбутніх технологічних рішень її вже недостатньо. Я так 🙂 І в цій статті ми поговоримо про те, що в найближчому майбутньому прийде їй на заміну, а саме – графен.

Чому літій – це минуле?

Літій-іонний акумулятор при тому, що він зараз найбільш розповсюджений, має безліч недоліків:

1. малий ресурс циклів заряду-розряду (до 1000);
2. саморозряд при кімнатній температурі до 10% за рік;
3. висока температура скорочує термін експлуатації;
4. повільне заряджання;
5. малий піковий струм до 10С (13 Ампер);
6. при пошкодженні та при взаємодії з киснем може загорітися і вибухнути.

Ніхто не задумувався, чому Apple не кладе до своїх смартфонів зарядні пристрої понад 5 Вт? А тому, що чим швидше буде заряджатися акумулятор, тим більше він буде нагріватися. А саме високі температури призводять до зменшення циклів і об’єму акумулятора.

Що таке графен?

Графен – одна з алотропних форм вуглецю, моноатомний шар атомів вуглецю із гексагональною структурою. Графен був відкритий у 2004 Андрієм Геймом та Костянтином Новосьоловим із Манчестерського університету. За це відкриття Гейм та Новосьолов були нагороджені Нобелівською премією з фізики у 2010 році.

Ще наприкінці 1980-х років член-кореспондент НАН України Володимир Литовченко зі співробітниками (Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України) досліджував появу забороненої зони в деформованих ультратонких графітових плівках (які тепер прийнято розглядати як багатошаровий графен).

Тільки уявіть собі неймовірно легку пластину завтовшки в атом, яка у 200 разів міцніша за сталь. Цим дивовижні властивості графену не обмежуються. Він також може бути гнучким, прозорим, а його електропровідність перевищує електропровідність міді. Простими словами графен – це вуглецева плівка завтовшки в 1 атом, яка зроблена з того ж матеріалу, що і звичайні графітові олівці. Якщо скласти 3 мільйони листів графену, то можна отримати товщину близько 1 мм.

Як графен змінить майбутній світ ґаджетів

Вже сьогодні на ринку представлені деякі товари, що містять в собі графенові елементи. Наприклад, всім відомі навушники Xiaomi Mi Pro HD використовують графенові мембрани. Розробники стверджують, що такі мембрани ідеально передають дрібні деталі звучання.

Xiaomi Mi Pro HD з графеновою мембраною для кращого звучання

У листопаді 2017 року Samsung Electronics оголосила про розробку нових акумуляторів для смартфонів, що можуть заряджатися всього за 12 хвилин, на відміну від звичайних, які заряджаються близько години-двох. Також компанія Samsung робить дослідження на шляху до поліпшення виробництва графену, що призведе до появи електроніки мініатюрних розмірів. Спеціалісти компанії працюють над створенням мобільних телефонів розміром з банківську пластикову картку. Графен може замінити кремній, що використовується при виробництві мікросхем.

Наразі, для виробництва прозорих сенсорних дисплеїв використовується індієвий олов’яний окис (ITO). Але у цього матеріалу є недолік – він дуже крихкий. Графен цього недоліку позбавлений.

На основі графену вже створено надчутливі сенсори (можуть виявляти присутність одного електрона), біосенсори, мініатюрні конденсатори високої ємності, швидкодійні елементи енергонезалежної пам’яті нового покоління, модулятори випромінювання, прозорі сенсорні екрани з діагоналлю понад 80 см. Фірмою ІВМ створено польові транзистори на основі графену зі швидкодією в 100 ҐГц.

Графеновий акумулятор для електрокара

В основному, розробки вчених спрямовані на створення великих акумуляторів для транспорту. Автомобільний пробіг на одній зарядці моделі Tesla Model S становить 800-1000 км, швидкість зарядки 10-12 хвилин.

Виробництво графенових акумуляторів перспективне. Саме такого ємного і швидко заряджального джерела енергії не вистачає для розвитку електромобілів. Важливо і те, що важить новий акумулятор у 2 рази менше літій-іонних батарей. Його механічні властивості ідеально вписуються в умови експлуатації машин. Графен у 200 разів міцніший за сталь, еластичний. Перші дослідні зразки вже проходять випробування.

Батарея для електромобіля здатна зменшити повне заряджання до 3-5 хв

Недоліки цього матеріалу

Недолік графену полягає в тому, що його дуже складно виробляти. Досі, вченим вдавалося виготовляти його лише в невеликих кількостях, найбільшим з яких був лист розміром з кредитну картку. Донедавна вони навіть не могли виготовити його за межами лабораторії.

Для того, щоб зробити лист графену розміром з кредитну картку, масло сої було підігріте до 800 °C на аркуші фольги нікелю, що змусило вуглець упорядкуватися в тонку пластину графену. Але це однаково, поки, залишається проблемою масштабування. При спробі отримати великі за розмірами листи графену, матеріал виходив низької якості. Однак, ця проблема балансу чистоти та розміру графенових матеріалів нагадує аналогічну проблему отримання чистого кремнію, яка була в минулі роки.

Висновок

Підсумовуючи все вище написане і враховуючи всі переваги та недоліки цього матеріалу, можна сказати єдину правильну річ – безсумнівно, графен є матеріалом найближчого майбутнього, який покращить майже всі електронні ґаджети. Так, літій в найближчі роки ще залишиться на верхівці компонентів для виробництва акумуляторів, але час нової технології вже майже наступив. І ті нововведення, які прийдуть до нас разом з цим новим матеріалом, принесуть покращення всім. Крім того, він несе менш негативний вплив на навколишнє середовище. Адже всім відомий літій, при його неправильній утилізації, наносить шкоди нашій планеті не менше, ніж видобуток нафти чи газу, і прийшов час це змінити. 🙂