Технологии, по которым выполнены батареи современных смартфонов, уже достаточно хороши. Но есть одна вещь, которой фанатам гаджетов никогда не бывает достаточно - это время автономной работы. Разве не было бы замечательно, если бы наши телефоны работали в течение двух или трёх полных дней интенсивного использования на одной зарядке? А как насчёт целой недели? С графеновыми батареями это может стать не такой уж несбыточной мечтой.
Графеновые аккумуляторы пока не работают на смартфонах и других гаджетах, но эта технология развивается. В будущем именно графеновые батареи могут стать заменой литий-ионным, от которых вся индустрия высоких технологий стала настолько зависимой на протяжении последних десятилетий.
Несмотря на то, что мы всё ещё далеки от коммерческого использования графеновых технологий, в том числе, в аккумуляторах, эту идею не стоит сбрасывать со счетов – в ближайшие годы она может стать реальностью.
Что такое графеновая батарея?
Прежде чем углубиться в вопрос графеновых аккумуляторов, следует вспомнить, что такое графен, и на что способен этот материал.
Вкратце, графен представляет собой совокупность атомов углерода, тесно связанных в гексагональную или сотовую структуру. Что делает графен таким уникальным, так это то, что его структура имеет толщину всего в один атомный слой. Таким образом, он двухмерен. Эта двухмерная структура обладает очень интересными свойствами, включая превосходную электрическую и теплопроводность, высокую гибкость, повышенную прочность и малый вес. Что особенно интересно, так это электрическая и теплопроводность, которая даже превосходит медь - самый проводящий изо всех металлов.
Когда речь идёт об аккумуляторах, возможности графена могут быть использованы разными способами. Идеальное его применение в качестве батареи – это так называемый суперконденсатор. Суперконденсаторы накапливают ток точно так же, как обычная батарея, но могут невероятно быстро заряжаться и разряжаться.
Нерешённая проблема с графеном заключается в том, как экономически выгодно и массово изготовить его сверхтонкие листы для использования в батареях и других технологиях. Затраты на производство в настоящее время чрезмерно высоки, но дальнейшие исследования помогут сделать графеновые батареи реальностью.
Еще в 2017 году Samsung объявил о прорыве в этой области, разработав «графеновые шарики». Недавно выяснилось, что Tesla также заинтересована в технологии производства автомобильных аккумуляторов с использованием графена.
Графен vs Li-ion
Как и в литий-ионных (Li-ion) батареях, в графеновых элементах используются две проводящие пластины, покрытые пористым материалом и погруженные в раствор электролита. Но, хотя их внутренняя структура очень похожа, две эти батареи обладают разными характеристиками.
Графен предлагает более высокую электропроводность, чем литий-ионные аккумуляторы. Это позволяет быстрее заряжать элементы, которые также могут выдавать очень большие токи. Это особенно полезно, например, для автомобильных аккумуляторов или быстрой зарядки устройств. Высокая теплопроводность также означает, что батареи не перегреваются, что продлевает срок их службы даже в тонких корпусах смартфонов.
Графеновые батареи также легче и тоньше, чем современные литий-ионные элементы. Это означает меньшие, более тонкие устройства или аккумуляторы большей ёмкости, не требующие дополнительного пространства. Графен позволяет достичь и гораздо более высокой ёмкости батареи. Литий-ионный аккумулятор накапливает до 180 Втч энергии на килограмм, а графен - до 1000 Втч на килограмм.
Наконец, графен безопаснее. Хотя литий-ионные аккумуляторы имеют очень хорошие показатели безопасности, было несколько крупных инцидентов, связанных с их неисправностями. Перегрев, перезарядка и прокалывание могут вызвать химический дисбаланс в литий-ионных батареях, что приводит к возгоранию. Графен гораздо более стабилен, гибок и прочен, а также более устойчив к проблемам такого рода.
Сейчас литий-ионные аккумуляторы уже могут использовать графен для улучшения характеристик катодного проводника. Они известны как гибридные батареи, которые обеспечивают меньший вес, более быстрое время зарядки, большую ёмкость и более длительный срок службы, чем современные батареи. Первые потребительские графеновые батареи, скорее всего, будут гибридными.
Что это значит для смартфонов?
Будущие смартфоны с графеновыми батареями продемонстрировали бы все преимущества, изложенные выше. Они будут заряжаться еще быстрее, время автономной работы продлится день или два, если не дольше, а сами устройства станут тоньше и легче.
Переход на графен может предложить на 60% больше ёмкости по сравнению с литий-ионным аккумулятором того же размера. В сочетании с улучшенным отводом тепла это увеличит срок службы устройства. Вам не нужно будет платить за дорогостоящие замены батарей через пару лет, чтобы ваши устройства продолжали работать.
Графеновые аккумуляторы позволили бы смартфонам стать тоньше или обеспечить большую ёмкость аккумулятора при сохранении их текущих пропорций – но не только. Технологии быстрой зарядки от устройства к устройству тоже получили бы новое развитие. С помощью аккумуляторов, способных выдерживать очень высокие токи и быстро заряжаться, гаджеты смогли бы заряжать друг друга на супер-высоких скоростях.
Хотя технология графеновых батарей пока что остаётся от нас на расстоянии нескольких лет исследований и разработок, это прекрасная перспектива для будущих смартфонов, гаджетов, электромобилей и другой техники.