Графеновые аккумуляторы

   Инженеры из Испании разработали графеновые аккумуляторы нового поколения. Они получились на 70% дешевле литиевых аналогов, в два раза легче по весу, а благодаря уникальным электропроводным свойствам графена, могут быть полностью заряжены всего за 9 минут, и этого заряда хватит на 1000 километров пробега электромобилю. Новые батареи уже протестировали две автомобильные компании Германии. 

Графеновые аккумуляторы

   Графеновые аккумуляторы разработаны в Испании

   Электромобиль считается весьма перспективным видом транспорта, несмотря на меньшую мощь и скорость, по сравнению с традиционными автомобилями на жидком топливе. Самые современные серийные электромобили на литиевых аккумуляторах требуют для зарядки несколько часов, при этом хватает заряда едва ли на 300 километров. По сравнению с этим, новые графен-полимерные аккумуляторы испанской компании Graphenano, разработанные совместно с учеными из Национального университета Кордовы, выглядят революционным чудо-источником, полностью устраняя недостатки традиционных литий-ионных батарей. 

   На данный момент Graphenano — ведущий в мире производитель графена в промышленных объемах, и уже наработанный инженерами опыт позволяет назвать их профессионалами на этом революционном пути.

   Графен чрезвычайно легок, лист площадью 1 квадратный метр весит 0,77 грамма, он прозрачен, гибок, водонепроницаем, в 200 раз прочнее стали, и при всем при этом не представляет угрозы загрязнения для окружающей среды. После повреждений материал легко восстанавливается. Сверхвысокая электропроводность графена позволяет получить скорость в чипах в 100 раз большую, чем у современных кремниевых чипов. Графен легко проводит тепло, генерирует электроэнергию, и способен менять свои свойства в сочетании с другими материалами.

Графеновые аккумуляторы

   Графеновые аккумуляторы, принцип действия

   В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Выпуск первых аккумуляторов с высокой добавочной стоимостью запланирован на 2016 год. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия). Тестовые результаты уже превысили 1000 Ватт-часов на килограмм для нового графен-полимера. Не удивительно, что Graphenano заключили договора о сотрудничестве со многими лидерами аэрокосмической и автомобильной отраслей. И также с компаниями, занимающимися возобновляемыми источниками энергии.

История открытия графена

   В 2004 году русские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм, работающие в Манчестерском университете (Манчестер, Великобритания) смогли получить графен на подложке оксида кремния. Это была стабильная двумерная пленка, благодаря связи с тонким слоем оксида (диэлектрика). Параметры пленок углерода толщиной в один атом (в миллион раз тоньше листа бумаги), такие как электрическая проводимость, эффект Шубникова-де Гааза, и эффект Холла были измерены тогда учеными. Новоселов и Гейм получили за эти передовые работы в 2010 году Нобелевскую премию.

Графеновые аккумуляторы

  Графеновые аккумуляторы, открытие графена

   Ныне графен можно по праву назвать революционным материалом XXI века. Этот вариант соединения углерода является самым тонким, прочным, и обладает наивысшей электропроводностью. Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности. Графен несомненно перевернет мир технологий в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.

Из области фантастики в область лабораторных разработок

   Говоря о нанотехнологиях, в первую очередь приходят на ум открытие графена и углеродных нанотрубок. Именно с ними связывают ученые прорыв в области электроники и фармакологии в 21 веке. Создание квантовых компьютеров, систем считывания сигналов на клеточном уровне, нанороботов для лечения организма – это только малый перечень открывающихся возможностей. Сейчас эти возможности перешли из области фантастики в область лабораторных разработок.

   Особая тема – это микроэлектроника. Современные микропроцессоры и чипы памяти уже преодолевают значение технологических норм в 10 нанометров. Впереди рубеж 4-6 нм. Но чем дальше двигаются разработчики по пути миниатюризации, тем сложнее задачи приходится решать. Инженера вплотную приблизились к физическим пределам кремниевых чипов. Те, кто интересуются современными микропроцессорами, знают, что их быстродействие затормозилось на тактовой частоте около 4 ГГц и дальше не увеличивается. Кремний является прекрасным материалом для микроэлектроники, но обладает существенным недостатком – плохой теплопроводностью. И с ростом тактовой частоты и плотности элементов этот недостаток становится барьером на пути дальнейшего развития микроэлектроники.

   К счастью, сегодня появилась реальная возможность использовать альтернативные материалы. Это графен, двухмерная форма углерода и углеродные нанотрубки, которые являются трехмерной кристаллической формой того же углерода. Уже первые результаты исследований привели к созданию графеновых транзисторов, работающих на частоте до 300 ГГц. Причем, опытные образцы сохраняли свои характеристики при температурах 125 градусов по Цельсию.

Перспективы практического применения графена

   Открытие графена вызвало реакцию, подобную разорвавшейся бомбы. После десятилетий полной уверенности, что двухмерной модификации углерода не существует, вдруг оказалось, что с помощью достаточно простых процессов его можно получать в неограниченном количестве.

Только зачем?

   Дело в том, что подобная модификация углерода обладает свойствами, которые, обычно сдержанные ученые, наделяют эпитетами фантастические, чудесные, уникальные. И им можно поверить. Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена. Даже короткий перечень впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое. Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзисторов на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

   Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок. Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.

   Не стоит думать, что все эти применения – дело отдаленного будущего. В гонку практической реализации научного открытия включились гиганты электронной индустрии — корпорация IBM, Samsung и множество коммерческих исследовательских лабораторий. По мнению специалистов, в ближайшее десятилетие графен станет привычным материалом. А некоторые шутят, что Силиконовую долину в Калифорнии придется переименовывать на Графитовую.  

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!