Использование графита в литий-ионных аккумуляторах

В 2015 году средствами массовой информации предрекался большой спрос на графит в связи с необходимостью удовлетворения спроса на литий-ионные аккумуляторы, вызванного повышением популярности электротранспорта. Возникли спекуляции, предсказывающие дефицит графита, ведь для большой аккумуляторной системы электромобиля этого вещества требуется порядка 25 килограммов. Хотя на сегодняшний день стоимость и доступность графита не вызывают беспокойства, существует небольшая тенденция к удорожанию этого материала.

Изготовление графитового анода чистотой 99,99 процентов является весьма дорогостоящим процессом, который к тому же оставляет после себя значительное количество отходов. Конечная стоимость такого анода не столько зависит от материала, сколько от процесса очистки. Утилизация и повторное использование старых графитовых анодов требуют еще больше средств ввиду более сложного процесса регенерации.

Углерод и графит – родственные вещества. Графит является аллотропной формой углерода, - структурной модификацией, которая происходит путем скрепления молекул друг с другом особым образом. Графит является наиболее стабильной формой углерода. Алмаз, метастабильный аллотроп углерода, известный своими превосходными физическими свойствами, является менее стабильным, чем графит, несмотря на то, что графит более мягкий и податливый.

Термин графит берет корни от греческого “graphein”. Это термостойкий, электро- и теплопроводный, химически пассивный (коррозионно стойкий) и легкий (легче алюминия) материал. Кроме анодов для литий-ионных аккумуляторов, высококачественный графит также используется в топливных элементах, солнечных батареях, полупроводниках, светодиодах и ядерных реакторах.


Аккумуляторы Victron Energy

 

AGM Deep Cycle
GEL Deep Cycle Литиевые (LiFePO4)
аккумуляторы AGM аккумуляторы GEL аккумуляторы литий-железо-фосфатные
10 лет / 400 циклов 10 лет / 500 циклов 20 лет / 2200 циклов
универсальное применение для циклических разрядов для частых глубоких разрядов

Углеродное волокно представляет собой длинную тонкую прядь толщиной около 5-10 мкм, что составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса. Атомы углерода, соединенные вместе в микроскопические кристаллы, формируют сильную межатомную связь. Из таких волокон можно формировать невероятно прочные структуры, и уже сегодня из них создаются рамы для велосипедов и корпусные детали для автомобилей и самолетов, способные заменить классические алюминиевые. Только 5 процентов графита уходит на нужды отрасли электрических батарей.

Графит для промышленности доступен в двух формах - природный графит из шахт и синтетический из нефтяного кокса. Как правило, обе эти формы используются для производства анодов для литий-ионных аккумуляторов, но у синтетической есть небольшое преимущество - она занимает 55 процентов этого рынка.

Производители предпочитают синтетический графит из-за его превосходной консистенции и высокой степени чистоты в сравнении с природным. Но уже существуют современные методы очистки, которые позволяют добиться чистоты природного графита на уровне 99,9 процента, тогда как синтетический графит изначально имеет 99,0 процентов.

Очищенный природный графит имеет лучшую кристаллическую структуру и обеспечивает более высокую электро- и теплопроводность в сравнении с синтетическим. Также переход на природный графит позволяет уменьшить конечную стоимость аккумулятора, сохранив ту же производительность. Синтетический графит для литий-ионной электрохимической системы продается по цене около $ 10.000 за тонну, тогда как природный в виде порошка имеет цену $ 7 000 (цены указаны за 2015 год). Помимо меньшей цены, природный графит более экологичен и служит основой для создания материала будущего - графена.

Графен

Графен представляет собой аллотроп углерода в виде двумерной гексагональной решетки. Представленный в виде листа чистого углерода, графен имеет толщину всего в один атом. Это гибкий, прозрачный, непроницаемый для влаги, тверже, чем алмаз и более проводящий, чем золото, материал. Научное сообщество возлагает огромные надежды на графен и ожидает, что с его помощью можно будет улучшить много устройств, в том числе, и электрические батареи.

Считается, что анод из графена может запасать больше энергии в сравнении с графитовым, а также способен уменьшить время зарядки в десять раз. Также значительно улучшатся нагрузочные характеристики и долговечность батареи, использующей графеновый анод.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

При использовании традиционных графитовых анодов ионы лития накапливаются вокруг внешней поверхности электрода. Графеновый анод же позволяет этим ионам проникать внутрь себя, используя крошечные отверстия в графеновых пластинах - размером порядка 10-20 нм. Это свойство обеспечивает оптимальную зону хранения и доступности ионов, позволяя таким образом добиться более чем десятикратного увеличения количества возможной энергии в сравнении с классическим графитовым анодом.

Но электрическая батарея и с графеновым анодом может быть усовершенствована, например, добавлением оксида ванадия к катоду. Экспериментальные батареи показывают удивительные результаты, такие как зарядка в течение 20 секунд и сохранение 90 процентов емкости после 1000 циклов заряда/разряда. Использование графена также возможно и в других областях, например, в суперконденсаторах он используется для увеличения удельной энергоемкости. На рисунке 1 показана уникальная решеточная структура графена, которую мы можем наблюдать с помощью сканирующей зондовой микроскопии.

Изображение структуры графена с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Рисунок 1: Изображение структуры графена с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Графен представляет из себя лист из чистого углерода толщиной всего в один атом. Это гибкий, прозрачный, непроницаемый для влаги, крепче, чем алмаз, и более проводящий, чем золото материал. Каждый атом углерода располагает тремя электронами, которые формируют химическую связь с ближайшими соседями.

Ученые теоретически знали о удивительных свойствах графена на протяжении десятилетий, но только недавно технологии настолько продвинулись, что стало возможным получить это вещество. Пока что не существует массовых устройств, использующих преимущества графена в своей работе, но есть все предпосылки, что эра графена уже не за горами. (Смострите BU-104c: Что делает батарею батареей.)

Последнее обновление 2016-02-23


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 4/5 на основе 4 голосов