Katoda LFP poprawiona za pomocą grafenu

Naukowcy z Instytutu Technologii w Harbinie w Chinach oraz z Uniwersytetu Michigan w USA zademonstrowali poprawioną katodę (wzbogaconą o zredukowany tlenek grafenu) baterii LFP (lit-fosf-żelazo). Dzięki zastosowanej metodzie naukowcom udało stworzyć się kompozytową strukturę 3D o super powierzchni (główny powód stosowania grafenu w produkcji katod i anod to znacznie lepszy stosunek masy do rozmiaru).
LFP to ulepszona wersja Li-Ion dla zastosowań wysokoprądowych takich jak np. samochody, elektronarzędzia i inne. Nowy akumulator cehcuje się wysokim prądem rozładowania, brakiem zagrożenia związanego z wybuchem oraz długim cyklem życia. Na ten moment niestety gęstość energetyczna jest niższa niż odpowiednika Li-Ion.
Zaprezentowane badania pokazały jak naukowcy stworzyli kompozyt używając wzorca z niklowej pianki, która została pokryta wartwą tlenku grafenu. Następnie tlenek grafenu zredukował się co stworzyło syntezę nanocząsteczek LFP za pomocą prostej metody, która pozwala na użycie dużej ilości węglowego materiału.

Warstwowe modelowanie pozwoliło zespołowi naukowców na uzyskanie wymaganego kształtu o wymaganej sztywności, w tym przypadku, cechującego się wysokim przewodzeniem oraz wysoką twardością. To potwierdziło fakt, że baterie mogą być zarówno pojemne jak i wytrzymałe. Naukowcy przewidują, że nowa bateria znajdzie zastosowanie w „giętkiej” elektronice oraz wszędzie tam, gdzie potrzebne jest szybkie ładowanie.
Samochodowe baterie również będą ulepszone dzięki tej, nowej metodzie.

Grafenowe super-kondensatory gotowe na gromadzenie energii w samochodach elektrycznych

Tradycyjne akumulatory potrafią się tak długo ładować, że nie można skutecznie przechowywać energii hamowania za ich pomocą. Superkondensatory grafenowe przechowują prawie tak samo dużo energii, ale ładują się w zaledwie 16
sekund.

Pojazdy elektryczne nadchodzą, czy tego chcemy czy nie. Jedną z technologii wspomagających te pojazdy jest stara dobra bateria – szczególnie wersja litowo-jonowa, która może przechowywać wystarczająco dużo energii. Bez niej samochód nie mógłby jeździć w sensownym zasięgu od stacji ładowania.

Oczywiście, producenci samochodów zawsze szukają sposobów na poprawę efektywności, a przez to zasięg pojazdów. Jednym ze sposobów aby to zrobić, jest odzyskanie i ponownie wykorzystanie energii, która normalnie byłyby zmarnowana w momencie spowalniania samochodu za pomocą hamólców.

Zwykłe akumulatory mają problem z ładowaniem podczas hamowania. Ponieważ hamowanie mierzone jest w sekundach, jest to o wiele za szybko. Ładowanie baterii na ogół trwa wiele godzin. Więc producenci samochodów muszą znaleźć inne sposoby magazynowania tej cennej energii.

Jednym z bardziej obiecujących sposób jest zastosowanie superkondensatorów, mogą one pobierać energię szybko a następnie rozładować energię równie szybko. W związku z tym wielu producentów samochodów eksperymentują właśnie z tą technologią.

Niestety superkondensatory nie są jeszcze gotowe na otwartej drogi. Mimo że ładowanie i rozładowanie jest szybkie, to nie przechowują one dużo energii.

Co więcej superkondensatory te mają tendencję do szybkiego zużywania się przy wielokrotnym stosowaniu ich. Wynika to z tego, że materiały wewnątrz psują się podczas przepływu ładunków. To jest istotna wada w takim urządzeniu, które ma być używane wiele milionów razy w ciągu życia samochodu.

Graphene supercapacitor

Santhakumar Kannappan w Gwangju Instytutcie Nauki i Technologii w Korei i kilku kumpli mówią, że mają rozwiązanie oparte na „materiale cud” czyli grafenie. Ci faceci zbudowali superkondensator wysokiej wydajności z grafenu, który przechowywać będzie prawie tyle samo energii co w baterii litowo-jonowej. Będzie mógł ładować i rozładować się w kilka sekund i utrzymać sprawność przez wiele dziesiątek tysięcy cykli ładowania.

Sztuczkę, którą Ci faceci udoskonalili to zrobienie bardzo porowatej werji grafenu, która ma ogromną powierzchnię wewnętrzną. Stworzyli oni tę formę grafenu poprzez zmniejszenie cząstek tlenku grafenu z hydrazyny w wodzie mieszając związek za pomocą ultradźwięków.

Grafenowy proszek jest następnie pakowany do komórek w kształcie monety i suszono w temperaturze 140C, pod ciśnieniem 300kg/cm przez pięć godzin.

Otrzymana w ten sposób grafenowa elektroda jest bardzo porowata. Jeden gram tego materiału ma powierzchnię większą niż boisko do koszykówki. To jest bardzo ważne, ponieważ umożliwia elektrodzie pomieścić znacznie więcej elektrolitu (jonowa ciecz, EBIMF 1 M). Właśnie to ostatecznie określa ilość ładunku, który superkondensator może pomieścić w sobie.

Kannappan i przyjaciele zmierzyli wydajność ich superkondensatora i są wyraźnie pod wrażeniem wyników jakie otrzymali. Okazuje się bowiem, że ich grafenowa bateria ma pojemność o wartości przekraczającej 150 faradów na gram i może gromadzić energię o gęstości większej niż 64 Wh/kg przy gęstości prądu na poziomie 5A na gram.

Wynik ten jest prawie porównywalny z bateriami litowo-jonowymi, które mają gęstość energetyczną między 100 i 200 Wh/kg.

Grafenowe superkondensatory mają też inne zalety. Kannappa mówi, że może je w pełni naładować w zaledwie 16 sekund a powtarzalność tego procesu to około 10.000 razy bez znacznego zmniejszenia ich pojemności. Są to najlepsze wartości jakie opisano w dotychczasowej literaturze naukowej, mówią laboranci z Gwangju.

Jest to bez dwóch zdań imponujący zestaw osiągów, który równie dobrze może uzasadniać wniosek autorów. Te „urządzenia służące do magazynowania energii oparte o grafenowy superkondensator… mogą być skalowane w górę w produkcji w niedalekiej przyszłości do zastosowań w pojazdach elektrycznych.”

Jeśli mają rację, zwykłe elektryczne pojazdy drogowe już wkrótce będą mogły efektywnie zbierać energię, która do tej pory w dużej mierze była zwyczajnie marnowana.

Źródło: http://www.technologyreview.com/view/521651/graphene-supercapacitors-ready-for-electric-vehicle-energy-storage-say-korean-engineers/

Grafen wchodzi do gry w bateriach dla samochodów elektrycznych

Zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory buduje akumulator do pojazdów elektrycznego o zasięgu 480km. Jak twierdzą jest on niemalże na ukończeniu. Dzięki unikalnej kombinacji różnych technologiach elektrochemicznych, w tym nowego materiału o nazwie „sulfur-graphene oxide” S-GO.

Grafen na ratunek …

Bateria grafenowa „S-GO” powstała w zakładach Berkeley Lab w celu wykorzystania jej w nowej generacji ogniw dla samochodów elektrycznych „EV”, oparty na technologii litowo-siarkowej.

Bateria grafenowa S-GO

Siarka ma kilka kluczowych zalet w stosunku do konwencjonalnych technologii akumulatorów litowo-jonowych. Są nimi np. pojemność (znacznie większa), toksycznośc (brak), koszty (mniejsze) oraz masa (mniejsza), niestety jest również bardzo krucha. Istotą problemu jest to, że siarka jest zazwyczaj rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych użytkowanych w tradycyjnych bateriach. Proces ten tworzy jony polisulfid, które mogą dostać się do anody litu i ponownie umocnić ją jako osad, tworząc barierę, która zakłóca pojemność. Powoduje to, że typowe prototypy litowo-siarkowe nie mogą trwać dłużej niż kilkanaście cykli ładowania-doładowania, nie tracąc swojej zdolności do przechowywania ładunku.

Rozwiązaniem Berkeley Lab było opracowanie nanomateriału składającego się z małych cząstek płatków grafenu pokrytych siarką, nazwanej „S-GO”. Pracownik Allan Chen z Berkeley Lab opisał to tak: „S-GO” charakteryzuje się dużymi porowatymi powierzchniami, co pozwala na bardziej „intymny kontakt elektroniczny” z siarką przy jednoczesnym ograniczeniu utraty kontaktu z kolektorem prądu elektrody.

Kiedy stosowany jako materiał katody w baterii litowo-siarkowej, „S-GO” wiąże się z litem podczas rozładunku i uwalnia go z powrotem do anody w czasie ładowania. Tymczasem „S-GO” rozwiązuje kilka innych kluczowych kwestii, w tym ogromnego wybrzuszenia, które kłopotoało technologie litowo-siarke. Grafen nadaje element elastyczności, który umożliwia „S-GO”, poradzenie sobie ze wzrostem objętości siarki do 76 procent podczas przekształcania się w siarczek litu podczas rozładowania.

Lepszy zasięg baterii dla EV poprzez elektrochemiczny tandem. Teraz rzućmy okiem na to jak katoda „S-GO” współpracuje z innymi technologiami elektrochemicznymi EV, rozszerzając zakres baterii w baterii litowo-siarkowej. Oprócz znacznie ulepszonej wydajności katody, nowe baterie wspierają takie gadżety jak spoiwa (wzmocnione kauczukiem w połączeniu z zagęstnik), które zwiększają moc. Aby poradzić sobie z problemem polisiarczkowym, zespół wykorzystał powłokę z cetylo-trimetyloamonianiu-bromeku-amonu (powierzchniowo czynnego stosowanego w systemach dostarczania leków) na elektrodzie siarki.

Również pomocą w rzeczy polisulfidów był nowy elektrolit oparty na cieczy jonowej, opracowany w laboratorium w Berkeley (ciecze jonowe są nielotne oraz niepalne). Nowa ciecz jonowa zapewnia ogromny wzrost tempa pracy akumulatora, zwiększając jednocześnie szybkość ładowania i dostarczania energii w czasie rozładowania.

Oto wynik jak donosi profesjor Chen z Barkley:

Bateria początkowo wykazała szacunkową energię komórki większą niż 500 Wh / kg i utrzymywała się na poziomie > 300 Wh / kg po 1000 cyklach – o wiele więcej niż w obecnie dostępnych komórek litowo-jonowe, których obecnne parametry to średnio około 200 Wh / kg. Taki wynik pozwala na osiągnięcie zamierzonego celu zasięgu samochodu elektrycznego – 480 km. Aby pojazdy elektryczne miały zasięg 480 km, akumulator powinien dostarczyć konkretną energię uzyskiwaną z komórek – 350 do 400 Wh / kg. Wymagać to będzie niemal dwukrotnie większej energii (około 200 Wh / kg) w stosunku do obecnych akumulatorów litowo-jonowych. Bateria także musi mieć co najmniej 1000, a najlepiej 1500 cykli ładowania/rozładowania bez objawów zauważalnej straty mocy lub utraty zdolności magazynowania energii.

Kolejne etapy obejmują zwiększenie wykorzystania siarki, utrzymując wydajność w ekstremalnych warunkach, oraz oczywiście skalowanie wielkości. Na koniec. Jeśli są jacyś partnerzy z sektora prywatnego, którzy chcieli by współfinansować badania i rozwój to laboratorium Berkeleya z chęcią nawiąże współpracę. Pamiętaj, Grafen to cudowny materiał nowego tysiąclecia.

Źródło: http://cleantechnica.com/2013/11/20/graphene-boosts-ev-battery-range-to-magic-300-mile-number/

Ta elektronika z grafenową baterią wbudowaną w silkonowy chip, zmieni świat.

Wyobraź sobie przyszłość bez baterii . Ale w tej samej przyszłości , twój telefon ładuje się w kilka minut pozostąc naładowanym przez tygodnie (posiadając baterię grafenową). Dzięki pierwszej na świecie super komórce krzemowej zbudowanej z grafenu, ta wizja przyszłości może być już realna niebawem. Wszystko za sprawą grafenu.

Zespół inżynierów z uniwersystetu Vanderbilt w Tennessee, zbudował właśnie takie urządzenie. Ich tzw „sylikonowy superprzewodnik” może być wbudowany w chipy krzemowe i może diametralnie zmienić baterie oraz akumulatory jakie znamy do tej pory. W przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów akumulujących energię poprzez reakcje chemiczne, urządzenie to przechowuje energię przez łączenie jonów na powierzchni porowatej powierzchni krzemu.
Ale ponieważ krzem reaguje z niektórymi substancjami chemicznymi w elektrolicie – te, które dostarczają jony – inżynierowie powlekli powierzchnię grafenem. Okazało się, że nie tylko grafen ochronił krzem, ale także poprawił gęstość przechowywanej energii w urządzeniu o ponad dwa rzędy wielkości. To proste rozwiązanie spowodowało, że urządzenie z krzemowo-grafewnową baterią może przechowywać znacznie więcej energii. Wielkie nieporęczne kondensatory aktualnie używane w tego typu urządzeniach (systemy odzyskiwania energi z hamowania) mogą zostać znaznie ulepszone przez to nowatorskie rozwiązanie. A wszystko to w małym układzie krzemu.

„Gdyby zapytać ekspertów o zrobienie super kondensatora z krzemu , to powiedzą Ci, że toszalony pomysł, ” Cary Pint, asystent profesora, który prowadził projekt, powiedział serwisowi Vanderbilt. „Ale musimy znaleźć łatwy sposób aby to robić. „I nie tylko jako gadżet ale praktycznie urządzenie”. Pint ma nadzieję użyć go jako „plan działania dla zintegrowanego systemu magazynowania energii. „Innymi słowy , chce zobaczyć urządzenia do przechowywania energii elektrycznej bezpośrednio w silikonowym chipie. Asystent profesora dodał dodał również „Im bardziej, możemy integrować magazynowanie energii do istniejących materiałów i urządzeń ,tym bardziej kompaktowe i wydajne staną się one”.

Prawdziwi futuryści będa podkreślać, że rozwój urządzeń z w pełni grafenowymi chipami, które zamiast pracować na prądzie będą pracować na świetle są ruchem godnym nowego stulecia. Ale ten rodzaj technologii będzie wymagać od nas całkowicie zmieny sposobu budowania elektroniki, natomiast wynalazek z uczelni Vanderbilt może być faktycznie zbudowany z krzemu pochodzącego z recyklingu ze zużytych elektroniki plus oczywiście trochę grafenu.

Źródło: http://gizmodo.com/this-graphene-coated-silicon-power-cell-signals-a-batte-1452245250

650 mln zł na dofinansowanie projektów wykorzystujących grafen

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło 22 października 2012 r. wyniki konkursu Graf-Tech oraz konkursu w ramach działania 1.4 Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W pierwszym z nich do rozdysponowania było 60 mln zł , natomiast w drugim blisko 590 mln zł. Wsparcie prac badawczo-rozwojowych ma doprowadzić do praktycznego wdrożenia projektów. W programie Graf-Tech dofinansowanie otrzyma co najmniej 12 konsorcjów. W ośmiu z nich liderem bądź partnerem jest Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych – ITME w Warszawie. Środki mają być przeznaczone na badania przemysłowe, prace rozwojowe i przygotowania do wdrożenia produktów opartych na wykorzystaniu grafenu. Oczekiwane są zastosowania grafenu w przemyśle elektronicznym oraz medycynie.

W konkursie Graf-Tech rozdysponowano około 50 mln zł. Obecnie rozpatrywane są protesty złożone od oceny formalnej, co oznacza, iż liczba beneficjentów programu może się jeszcze powiększyć.

– Dzięki finansowaniu innowacyjnych rozwiązań, takich jak wyroby bazujące na grafenie, Polska może stać się liderem w kilku obszarach techniki. Aby tak się stało, potrzebne jest współdziałanie naukowców i przedsiębiorców. Od momentu wprowadzenia reformy finansowania nauki zauważamy także znacząco większe zainteresowanie przedsiębiorców realizacją projektów B+R służących budowaniu własnych przewag konkurencyjnych – mówił prof. Krzysztof Jan Kurzydłowski, dyrektor NCBR.

W konkursie dotyczącym programu Innowacyjna Gospodarka dofinansowanie przyznano 116 projektom. Ponad 400 mln zł trafi do małych i średnich przedsiębiorstw. Wsparcie przeznaczone jest na projekty celowe. Warunkiem otrzymania dotacji było zobowiązanie beneficjenta do wdrożenia wyników finansowanych prac badawczo-rozwojowych.

– Polski nie stać na to, by najbardziej innowacyjne technologie czy rozwiązania z opóźnieniem trafiały do polskiej gospodarki. Inwestowanie w programy sprzyjające innowacjom zyskuje na znaczeniu zwłaszcza w czasie kryzysu ekonomicznego – mówiła minister nauki i szkolnictwa wyższego, prof. Barbara Kudrycka.

źródło: naukawpolsce.pap.pl