Суперконденсаторы, графен и техно-бум в Китае
Несмотря на популярное мнение, что западные СМИ – это пример демократичности, объективности и всеохватности, целые пласты нашей действительности они предпочитают не затрагивать. Один из них – научный и технологический бум в Китае, в частности, в сфере материалов и электроники. Несмотря на весь шум, связанный с электромобилями Тесла, и планами Элона Маска по созданию заводов, производящих батареи для домохозяйств, всего за пару лет Китай успешно обошел американцев, да и все другие страны, заняв лидирующие мировые позиции по производству суперконденсаторов – а это фактически «закрывающая» технология.
Так, по данным недавнего отчета консалтинговой фирмы «IndustryARC», занимающейся маркетинговыми исследованиями, рынок суперконденсаторов достигнет к 2020 году объема в 4 миллиарда долларов. При этом в период 2015-2020 он будет иметь среднегодовой темп роста около 35,4%. В основном рост ожидается в бытовой электронике и в автомобильной индустрии.
Напомню, что суперконденсаторы, это устройства накопления энергии, имеющие существенные преимущества перед традиционными батареями – они гораздо быстрее заряжаются, компактнее и легче. Кто может стать потребителем этих, пока еще непривычных для нас устройств? Сфера их применения очень широка. Но прежде всего, выиграют производители бытовой электроники: фотоаппаратов, мобильных телефонов, камер; медицинской техники – дефибрилляторов; в сфере энергетики – для накопления энергии ветровых турбин; на транспорте – вместо прежних громоздких аккумуляторов для автобусов. Они могут применяться для защиты электрических автомобильных батарей, могут также накапливать энергию, вырабатываемую при торможении автомобиля.
рост рынка суперконденсаторов
Хотя на первом месте в обзоре специалистов «IndustryARC» стоит бытовая электроника, они отмечают и значение транспортной отрасли. Открывается возможность перевести общественный транспорт на электрическую тягу: вместо громоздких, взрывоопасных и содержащих кислоты батарей – небольшие твердотельные конденсаторы, заряжающиеся за считанные минуты. В Китае уже запущены электроавтобусы, способные подзаряжаться во время коротких остановок.
Кто получит наибольшие выгоды от этого нового тренда? Конечно, это китайские производители. Они уже заняли добрую половину рынка. В списке лидирующих производителей числятся «Tecate Group Vinatech», «Maxwell Technologies», «Bombardier Inc», и более известная нам корпорация «Panasonic».
В свою очередь, производство быстро заряжающихся, компактных и дешевых (по сравнению с привычными литий-ионными батареями) суперконденсаторов, может стимулировать и рост рынка электромобилей, производство которых через пять лет ожидается на уровне 6 миллионов штук в год. Наиболее перспективные регионы для инвесторов сегодня это Китай, Япония и Северная Америка.
Что интересно, это связь роста рынка суперконденсаторов с ростом числа патентов в области графена (напомню, что этот необычный материал был открыт в 2004 году уроженцами России Андре Геймом и Константином Новоселовым). Так, в недавнем отчете «Graphene — The worldwide patent landscape in 2015» британского агентства по интеллектуальной собственности, число патентов, начиная с 2004 года, росло в геометрической прогрессии, и достигло в 2015 году 28 тысяч! И это еще неполные данные за этот год. Только в 2014 году патентов, касавшихся использования и производства графена было зарегистрировано более 9 тысяч.
Стоит добавить, что копия исследования графеновой индустрии Китая «Global and Chinese Graphene Industry Report, 2015-2018», подготовленного аналитическим центром «Research and Markets», базирующимся в Дублине (117 страниц, вышел 20 ноября), продается за… 2400 долларов (!)
На первом месте среди аппликантов оказалась корейская корпорация «Самсунг». Европейские страны и США остались далеко позади конкурентов из Азии. При этом доля Китая в исследованиях графена постоянно растет, и учитывая полуторагодичный временной лаг в их регистрации, то разумно предположить, делает вывод агентство, что на самом деле доля Китая составляет порядка 80%! Надо отметить и то, что Китай добился таких значительных успехов всего за пару лет, поскольку до 2010 года графеновыми технологиями там практически не занимались, что говорит о большом внимании, которое власти Поднебесной уделяют перспективным научно-прикладным исследованиям.
Суперконденсаторы – отнюдь не единственная сфера применения нового материалы. Графен может найти применение и в военной отрасли, учитывая то, что китайцы уже научились создавать крупные листы совершенно чистого графена, а он обладает уникальными механическими свойствами, позволяя создать материалы в сотни раз прочнее стали и дешевые сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. В начале этого года уже поступили сообщения, что в Китае создан новый пеноматериал на основе графена, обладающий исключительной легкостью и прочностью, который предполагается использовать для армирования брони.
Графеновый и суперконденсаторный «хайп», при всем его значении, не должен скрывать от нас главное – утрату Старым и Новым светом былых позиций в научной и технологической сфере.
В своем предыдущем материале я уже писал о тяжелом кризисе в фундаментальных исследованиях на Западе. Отставание Запада еще и в прикладных исследованиях, водородной энергетике (в которой больших успехов добилась Япония), в космических технологиях (на фоне бурного развития этой отрасли в Китае), а теперь еще и в сфере графеновых технологий (где лидерство захватил Китай и Южная Корея), позволяет сделать вывод, что некоторое снижение темпов экономического роста в Поднебесной на фоне научно-технологического бума – это лишь временное затишье перед новым рывком.
Андрей Маклаков
Fisker обещает электромобиль на революционных графеновых суперконденсаторах
Датский дизайнер и предприниматель Хенрик Фискер — автор внешности целого ряда удачных спорткаров: BMW Z8, Aston Martin DB9, Aston Martin V8 Vantage. Но его собственный автомобильный бизнес успешным никак не назвать: первые экземпляры гибридного седана Fisker Karma, поступившего в продажу в 2012 году, страдали от проблем с батареями (даже пришлось объявлять отзывную кампанию). Сама фирма Fisker Automotive обанкротилась еще три года назад (хотя сейчас силами китайских инвесторов Karma модернизирована и вновь поступила в продажу).
В последние годы Хенрик Фискер входит в руководство крохотной фирмы VLF Automotive, которая переделывает Кармы на бензиновую тягу и выпускает спорткар Force 1 на базе купе Dodge Viper. Но не так давно неугомонный датчанин объявил о новом проекте: его компания Fisker Inc. занимается разработкой собственного электромобиля, который пока засвечен в виде тизеров. Судя по ним, нас ждет сиквел Кармы: обтекаемый седан с характерным дизайном и подъемными дверями. Однако вместо традиционных аккумуляторов он будет использовать принципиально иной способ хранения энергии — суперконденсаторы на основе графена!
Над этой технологией работает подразделение Fisker Nanotech, в штате которого команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Например, Махер Аль-Кади и Ричард Кейнер, работающие на Fisker Nanotech, имеют несколько патентов в области суперконденсаторов с графеновыми электродами.
Графен — это двухмерный кристалл углерода: его слой толщиной всего в один атом. После того, как физики Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета смогли синтезировать этот материал и провели серию экспериментов, в науке начался настоящий бум, связанный с изучением графена. В 2010 году Гейм и Новоселов даже получили за свои опыты Нобелевскую премию. Графен обладает высокой прочностью, теплопроводимостью и наибольшей подвижностью электронов среди всех известных материалов.
Главная особенность суперконденсаторов (или ионисторов) — очень высокая скорость зарядки и разрядки, именно поэтому их использовали на гоночных гибридах Toyota TS030 и Toyota TS040, создававшихся для марафона «24 часа Ле-Мана». А вот по плотности энергии они сильно уступают традиционным аккумуляторам. Использование графеновых электродов позволяет серьезно повысить этот показатель, хотя и в этом случае конденсаторы серьезно уступают современным литий-ионным аккумуляторам. Как правило, такие ионисторы имеют плотность энергии 15—35 Вт∙ч/кг — примерно как у свинцово-кислотных батарей. Лучшие лабораторные образцы этих конденсаторов сейчас способны обеспечить плотность энергии около 83 Вт∙ч/кг. Теоретически возможен рост еще примерно вдвое, но современные литий-ионные аккумуляторы уже сейчас имеют плотность энергии свыше 200 Вт∙ч/кг.
Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решетку (фото wikipedia.org)
Руководитель Fisker Nanotech Джек Кавано уверяет, что их компания располагает технологиями, позволяющими серьезно увеличить плотность энергии в конденсаторах с графеновыми электродами, — однако в детали не вдается, ссылаясь на уникальность собственного ноу-хау. В компании обещают, что запас хода на одной зарядке превысит 600 км.
Другая проблема технологий на основе графена — отсутствие промышленных установок для его производства и, как следствие, высокая цена. Но Кавано и Фискер утверждают, что специалистами Fisker Nanotech уже спроектирована установка, которая позволит получать графен с себестоимостью 10 центов за килограмм. Руководители компании даже рассчитывают продавать ионисторы собственного производства другим автопроизводителям.
«Fisker Inc. возглавит революцию среди электромобилей, которая потрясет рынок и изменит мир!» — заявляет Хенрик Фискер. Обещания слишком хороши, чтобы стать реальностью? Подробностей придется ждать еще около года: Фискер планирует представить свой электромобиль во второй половине 2017 года.
Российские физики улучшили работу «конденсаторов будущего»
МОСКВА, 28 мая – РИА Новости. Ученые из «Сколтеха», МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость так называемых суперконденсаторов, соединяющих в себе преимущества обычных аккумуляторов и конденсаторов и не имеющих их недостатков. Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.Все современные электронные гаджеты построены не только на базе полупроводниковых транзисторов, но и бесчисленного множества конденсаторов. В самом упрощенном виде, они представляют собой устройства, способные накапливать в себе электрический заряд и избирательно проводить ток.
Сегодня они используются не только для фильтрации и улучшения «качества» электрических сигналов, но и в качестве ключевого компонента ячеек памяти компьютеров и постоянных запоминающих устройств. Так называемые ионисторы или суперконденсаторы, обладающие рекордно высокой плотностью запасания энергии и скоростью разрядки и зарядки, в будущем могут стать основой электроэнергетики.
Подобные устройства состоят из трех компонентов – двух электродов и электролита, ионы внутри которого реагируют на появление напряжения на концах суперконденсатора. Они быстро выстраиваются особым образом внутри конденсатора или вступают в различные химические реакции с его электродами. В результате этого внутри него запасается энергия, которая высвобождается при необходимости почти неограниченное число раз.
Как правило, электроды в подобных «батарейках будущего» изготовлены не из металлов, а различных пористых материалов, в том числе активированного угля. Они обладают небольшой массой, большим объемом и площадью поверхности, что позволяет сделать суперконденсаторы максимально емкими и долговечными.
В последние годы ученые пытаются повысить их емкость, используя различные экзотические материалы, такие как графен или углеродные нанотрубки и наностенки, а также меняя химический состав электродов. К примеру, часть атомов углерода в электродах можно заменить на азот или другие элементы, обладающие высоким уровнем химической активности.
Как передает пресс-служба «Сколтеха», недавно российские химики заметили, что подобную операцию можно провести, если выращивать углеродные наностенки внутри плазмы, подготовленной из смеси метана, водорода и азота. Итоги этих опытов натолкнули их на мысль, что подобный материал можно использовать для изготовления ионисторов.
Руководствуясь этой идеей, ученые подготовили некоторое количество «азотных» наностенок, изучили их свойства и собрали прототип суперконденсатора на их базе, поместив подобные пленки в раствор серной кислоты. Как оказалось, обработка плазмой повысила емкость этих устройств примерно в 4,5-6 раз по сравнению с обычными ионисторами на базе этого материала, и при этом она повысила их долговечность.
Как предполагают ученые, аналогичным образом можно повысить емкость суперконденсаторов, изготовленных из других углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок и графена. Это позволит создавать чрезвычайно тонкие, гибкие и емкие «батарейки будущего», которые можно будет встраивать в одежду и носимую электронику и использовать для зарядки и питания различных цифровых гаджетов.
Графеновые суперконденсаторы, созданные корейскими инженерами, готовы к использованию в электрических автомобилях
Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энергии. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.Одним из направлений повышения эффективности электрических автомобилей является сбор и повторное использование энергии, превращающейся в тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энергии, но эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования «быстрой» энергии требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.
К сожалению, суперконденсаторы еще не готовы выйти на «большую дорогу», несмотря на то, что они способны быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо этого, надежность суперконденсаторов также оставляет желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов, постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля количество циклов работы суперконденсаторов должно составить много миллионов раз.
У Сэнтэкумэра Кэннэппэна (Santhakumar Kannappan) и у группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных материалов современности — графен. Корейские исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена, емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых суперконденсаторов способны выдержать без потери своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.Уловка, которая позволила добиться столь внушительных показателей, заключается в получении особой формы графена, у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью ультразвука. Получившийся графеновый порошок был упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.
Получившийся материал получился очень пористым, у одного грамма такого графенового материала его эффективная площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению электрической емкости суперконденсатора.
Измерение характеристик опытных суперконднсаторов показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм, плотность хранения энергии составляет 64 ватта на килограмм, а плотность электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов, плотность хранения энергии которых составляет от 100 до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.
Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению исследователей, которые написали, что их «графеновые суперконденсаторные устройства аккумулирования энергии уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в ближайших поколениях электрических автомобилей».
Изготовление гибких графеновых ионисторов c помощью обычного DVD-привода / Habr
Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали способ производства тонких и гибких графеновых суперконденсаторов (ионисторов) с помощью пишущего DVD-привода, поддерживающего LightScribe. Технология LightScribe изначально предназначена для нанесения рисунка на обратную сторону диска. Учёные покрыли диск слоем оксида графита на пластиковой подложке, а затем выжгли лазером привода очертания обкладок ионистора. Оксид графита под действием лазера превратился в графен, электропроводность которого на шесть порядков выше, чем у оксида графита. Эти графеновые дорожки и образовали обкладки.
Обкладки выполнены в форме двух «гребёнок» — зубцы одной вложены в промежутки другой. Чем тоньше зубцы, тем больше энергии может запасти такой плоский ионистор. Эта конструкция демонстрирует гораздо лучшие характеристики, чем более привычный «сэндвич» из двух листов графена с электролитом между ними. Кроме того, она гораздо технологичнее — обе обкладки создаются одновременно, после обработки лазером достаточно лишь покрыть их слоем электролита.
В лабораторных образцах удалось достичь плотности мощности в 200 ватт на кубический сантиметр. Как и обычные ионисторы, плоские суперконденсаотры из LSG (Laser Scribed Graphene) выдерживают огромное количество циклов заряда-разряда. Их характеристики практически не меняются при сгибе и скручивании. Создать такой суперконденсатор с помощью лазера можно практически на любой поверхности — не только на гибкой плёнке, но и прямо на кремниевом кристалле. В перспективе это позволит создавать микроэлектронные устройства с интегрированным прямо на чипе элементом питания.
Ссылки и видео
Статья в Nature (PDF).
Видео:
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Ученые из Техаса предложили недорогую технологию создания из материала на основе графена суперконденсаторов. Последние, по словам авторов, могут найти применение в ряде современных электронных устройств. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Университета Райса.
Синтез структурированных углеродных материалов с целью хранения информации и управления проводимостью является в настоящее время экономически невыгодным из-за дороговизны материалов и технологий. В своем исследовании специалисты предложили простой и дешевый в сравнении с существующими аналогами подход для создания узоров на пористых графеновых пленках.
После облучения углекислотным лазером, работающим в инфракрасном диапазоне, атомы углерода переходили в другое квантовое состояние, что меняло электропроводящие свойства материала. Лазер удаляет почти весь полимерный материал (полиимид), оставляя слой углерода в виде графеновой пены толщиной до 20 микрометров. Этот слой, как оказалось, можно сформировать в виде узоров, геометрия которого позволяет хранить с помощью нового материала информацию.
Весь процесс протекает на воздухе при комнатной температуре и не требует специальных условий. Как отмечают ученые, лазерный луч разрезает не весь материал полностью, а оставляет часть его прикрепленным к исходной поверхности.
Полученное учеными изображение совы (длина белой линии отвечает одному миллиметру)
Фото: Tour Group/Rice University
Новый материал, который специалисты называют лазерно-индуцированным графеном, под микроскопом похож на нагромождение связанных хлопьев из пяти-, шести- и семиатомных колец. Обычно пяти- и шестиатомные кольца считаются дефектными, но в данном случае это не так — такие структуры как раз и придают материалу особенные свойства.
В качестве примера ученые получили на полимере изображение совы. Как отмечают специалисты, их технология работает только с двумя типами полимеров. С дешевыми полимиидами — наилучшим образом. Всего ученые провели эксперименты на 15 разных материалах.
Хотя полученный материал не проводит электричество так же хорошо, как медь, в ряде приложений, как отмечают специалисты, этого и не требуется. По их словам, модифицированный полимер может найти применение в качестве суперконденсаторов, которые сочетают в себе быструю зарядку и высокую емкость хранения энергии.
Новая квантовая структура модифицированного графена позволяет особым образом удерживать электроны и снижать общую проводимость графена. Именно это и может послужить основанием для применения нового материала в качестве конденсатора.
Свои выводы ученые подтвердили наблюдениями при помощи электронного микроскопа, а также теоретическими расчетами, выполненными в рамках квантовомеханического метода функционала плотности.
Материалы по теме
16:34 — 12 сентября 2014
Наилучшие результаты, зафиксированные специалистами на новом материале, говорят о емкости более четырех миллифарад и плотности мощности около девяти милливатов на квадратный сантиметр нового материала. Это сопоставимо с другими суперконденсаторами на основе углерода.
Как отмечают исследователи, новый материал показывает незначительное ухудшение работы после девяти тысяч циклов перезарядки, что является очень хорошим показателем. Ученые считают перспективным использование таких миниатюрных конденсаторов для носимой электроники, в частности для умных часов.
Разработан солнечный суперконденсатор из графеновой пены
Георгий ГоловановФото: EAST NEWSИнженеры Университета Глазго разработали новый вид суперконденсатора на солнечной энергии. Это гибкое и легкое устройство на основе вспененного графена и серебра способно питать носимые устройства и медицинские сенсоры.
321
Современные носимые гаджеты обычно работают на тяжелых и жестких батареях, которые не слишком удобны для постоянного пользования и могут даже вызывать повреждения тканей у пациентов. Команда профессора Равиндера Дахийи, воспользовавшись своими прошлыми наработками, создала новые легкие и гибкие суперконденсаторы, которые обеспечивают больше комфорта при пользовании носимыми устройствами. Кроме того, они изготавливаются из экологически чистых материалов.
Гибридный суперконденсатор команды Дахийи состоит из нескольких слоев: 300 отдельных листов проводящей графеновой пены, соединенных серебряной эпоксидной смолой. В качестве электролита используется капля фосфорной кислоты, а слой полиэстер-целлюлозы приклеен сверху. Вся эта конструкция соединяется с обычным фотодетектором.
Такое устройство позволяет запасать в три раза больше энергии, чем любой другой гибкий суперконденсатор.
Новый суперконденсатор намного стабильнее традиционных аналогов, считают ученые. Они продемонстрировали надежность устройства, испытав его в процессе 25 000 циклов зарядки/разрядки, пишет Phys.org.
Исследователи подключили суперконденсатор к сенсору, определяющему уровень кислотности по капле пота, и получили многообещающие результаты. Гибкая, носимая система мониторинга состояния здоровья, которая заряжается от солнечного света, имеет большой коммерческий потенциал, убежден Дахийя.
Метод производства трехмерных проводников из графеновой пены открыли ученые Университета Райса. В качестве эксперимента они создали с его помощью литий-ионный конденсатор, емкость которого приблизилась к теоретическому пределу.
Facebook32Вконтакте1WhatsAppTelegram