Графен в системах хранения энергии: светлое будущее или проблемы использования?

Прогресс в технологическом энергетическом секторе требует использования самых современных наноматериалов для достижения высоких характеристик в передовом применении. В важных устройствах хранения энергии, таких как суперконденсаторы и батареи, используются электроды на основе чистого графена или нанокомпозитов, полученных из этого материала. Графен представляет собой исключительную наноструктуру для новых конструкций, так как уже хорошо известны его свойства: увеличение площади поверхности при незначительности веса, прочность, тепловая и электрическая проводимость и ряд других замечательных физических свойств. Оксид графена представляет собой модифицированную форму исходного материала, имеющую поверхностные функциональные группы, которая может ещё больше улучшить внутренние свойства двумерных нанолистов. Эти два материала, в свою очередь, позволяют образовывать другие нанокомпозиты или полимерные материалы. Благодаря замечательным свойствам проводимости электронов или протонов (противоположных по заряду частиц) через свою структуру, графен и его производные материалы сразу рассматривались для производства и сохранения энергии, применения в электронике, датчиках и устройствах.

Естественно, что графен сразу задумали использовать для разработки электродов суперконденсатора с улучшенными электрохимическими свойствами накопления заряда. Аналогично, было обнаружено, что графен эффективен для улучшения способности аккумулировать заряд литий-ионных батарей. Следовательно, производные наноматериалы исследовались с точки зрения применения в структурных конструкциях, упрощении способов изготовления матриц и наполнителя в микроструктурах композитов, для увеличения стабильности, ёмкости, плотности заряда, количества циклов заряда-разряда и других полезных характеристик. Однако, всё равно пришлось преодолевать проблемы проектирования и производства материалов на основе графена для высокоэффективных устройств аккумулирования электроэнергии.

Графен представляет собой уникальную углеродную структуру толщиной в один атом, состоящий из sp2 - гибридизированных атомов углерода. Однако крупномасштабное производство графена высокого качества и с небольшим количеством слоёв по-прежнему остаётся сложной задачей. Понимание методов получения графена и влияния параметров их процесса на электронную структуру не только имеет решающее значение для развития его применения в исследовательских областях, но и жизненно важно для будущего промышленного производства. Существуют два подхода получения путём выращивания из металлоуглеродных расплавов «снизу вверх» или «сверху вниз». В основном для формирования графеновой наноструктуры чистотой 97–98 % (что очень важно для проявления его свойств), успешно используются методы механического или химического отшелушивания, химического осаждения из паровой фазы и химического синтеза. Можно также получать графеновые листы сравнительно большой площади с неразрушенной кристаллической структурой в базальной плоскости. С помощью механической силы (например, обработки ультразвуком и сдвигом) для преодоления межслойной укладки графита жидкофазное отшелушивание (LPE) обеспечивает простой и в значительной степени, экологически чистый способ сохранения кристаллической структуры первичного материала. Оксид графена представляет собой производное графена с поверхностными функциональными группами, такими как гидроксильная, карбоксильная, эпоксидная и т. д.

Суперконденсаторы относят к категории основных устройств накопления заряда или энергии. На этом этапе производительность устройства зависит от структуры и конструкции материалов, используемых в конструкции. Следовательно, изменение типа материала в электроде или других компонентах может повысить способность накапливать заряд. В частности, использование наноматериалов в компонентах суперконденсаторов показало повышение производительности. Использование подходящих технологий изготовления также привело к улучшению характеристик. Включение наполнителя, такого как графен, в полимерную матрицу привело к улучшению физических свойств нанокомпозитов полимер/графен. Проводящие полимеры (полианилин, полипиррол, политиофен и т. д.) были признаны эффективными для создания матрицы электродов суперконденсаторов благодаря превосходным свойствам проводимости и накопления заряда.

Но гораздо большую пользу представляет применение этого материала в аккумуляторах. Литий-ионные аккумуляторы считаются эффективными устройствами зарядки или накопления энергии. Первоначально предпочтение отдавалось батареям с оксидами переходных металлов, в качестве электродных материалов, из-за их лучших характеристик. Тем не менее, предпринимаются постоянные исследовательские усилия по производству аккумуляторных электродов, обладающих длительным сроком службы, долговечностью, высокой энергоёмкостью, быстрой скоростью заряда другими желательными свойствами. Следовательно, исследовательские усилия привели к разработке и использованию электродов на основе графена и ориентированных углеродных нанотрубок для литий-ионной батареи. Последующий аккумуляторный электрод, на основе нанокомпозита, обладал ещё более высокой прочностью, электронной проводимостью и ёмкостью. Отныне для литий-ионных аккумуляторов часто применяется высокоэффективный графеновый нанокомпозитный анод, легированный фосфором и азотом. Такой анод, в идеальных условиях лабораторных опытов, показал высокую ёмкость (900 мАч/г), а также высокую циклическую стабильность и КПД, при этом обладал невероятной циклической стабильностью (более 20 000 циклов). Включение графенового нанонаполнителя привело к повышению производительности литий-ионного аккумулятора, за счёт лучшей дисперсии и взаимодействия с полимерной матрицей.

Обычные устройства хранения энергии, такие как суперконденсаторы и батареи, имеют проблемы с высокой стоимостью, весом и надёжностью из-за наличия компонентов из металлов, оксидов металлов или неорганических материалов в электродах, а также неэффективности кислотных электролитов. Например, в дата-центрах, для обеспечения энергонезависимого питания на случай отключения электроэнергии, приходится отводить огромные площади для создания аккумуляторных залов. Кроме того, кислотные аккумуляторы необходимо постоянно обслуживать и, при необходимости, сравнительно часто менять. С недавних пор инновационные материалы (графен, углеродные нанотрубки и т. д.) стали использоваться в качестве эффективных электродных материалов для устройств накопления энергии. Это позволяет решать различные структурные, технологические проблемы с производительностью, которыми грешили аккумуляторы, сделанные из традиционных материалов. Лучшие характеристики нанокомпозитов полианилин/графен в электродах литий-ионных аккумуляторов объясняются образованием ковалентных связей и взаимодействий в матричном наполнителе, что приводит к высокой электронной проводимости и, в свою очередь, высокому потенциалу хранения заряда.

Читать далее:
Olympus CKX53 в ветеринарной патологии: Области применения и достижения
Что стоит знать о платформе RuPost
Гармония стилей. Как выбрать ковер, сочетающийся с интерьером гостиной
Поколение инноваций. Jeep Grand Cherokee 2024