工業製造
産業用モノのインターネット | 工業材料 | 機器のメンテナンスと修理 | 産業プログラミング |
home  MfgRobots >> 工業製造 >  >> Manufacturing Technology >> 産業技術

グラフェンバッテリーとは何ですか? [簡単な概要]

最近、バッテリー技術は大きく進歩しました。しかし、人々がそれを十分に得ることが決してできないことが1つあるとすれば、それはバッテリー寿命の延長の約束です。私たちのラップトップとスマートフォンが1回の充電で1週間集中的に使用できたら素晴らしいと思いませんか?または、電気自動車を数分で完全に充電できるとしたらどうでしょうか?

グラフェン電池を使えば、それはすべて可能です。

グラフェンは現在、電荷蓄積のために最も研究されている材料です。世界中のさまざまな研究所からの結果は、エネルギー貯蔵業界に革命を起こす可能性を裏付けています。

2004年に発見されたグラフェンは、完全に回転可能なバッテリー、小型のコンデンサー、大容量で急速充電のデバイス、透明なバッテリーなど、今後10年間でエネルギー貯蔵デバイスに多くの新機能を提供する可能性があります。

この画期的なテクノロジーについてさらに深く掘り下げて学びましょう。既存のリチウムイオン電池との違い、その用途、そしてなぜそれがそれほど重要なのか。

グラフェンバッテリーとは正確には何ですか?

二次元のハニカム格子に配置された炭素原子のシートであるグラフェンは、その独特の特性により「不思議な材料」として認識されています。熱と電気の優れた伝導体であり、非常に柔軟で、ほぼ透明で、同じ厚さの鋼の100倍の強度があり、非常に軽量です。

2次元のハニカム格子に配置されたグラフェンの原子

また、この素材は環境に優しく持続可能なため、幅広い用途で無限の可能性を秘めています。それらの有望なアプリケーションの1つは、次世代バッテリーです。

グラフェンは、さまざまな種類の電池に統合できます。金属空気、レドックスフロー、リチウム金属、リチウム硫黄、さらに重要なことに、リチウムイオン電池です。負極と正極の両方に適したさまざまなバージョンに化学的に処理できます。

グラフェンで作られたバッテリーは、ハンドヘルドデバイスや電気自動車からすべてに電力を供給することができます。既存の商用(リチウムイオン)バッテリーよりも多くの電力を保持し、ライフサイクルが長くなります。

バッテリーとしてのグラフェンは、スーパーキャパシターとしても使用でき、非常に迅速に充電および放電できます。実際、彼らは文明が最終的に有害な化石燃料から離れるのを助けることができました。

従来のバッテリーとの違いは何ですか?

グラフェン電池の技術はリチウムイオン電池に似ています。2つの固体電極と、イオンの流れを可能にする電解液があります。ただし、一部のグラフェン電池は固体電解質を備えています。

主な違いは、一方または両方の電極の構成要素にあります。従来の電池では、陰極(正極)はすべて固体材料でできています。ただし、グラフェンバッテリーでは、カソードはグラフェンと固体金属材料を含むハイブリッドコンポーネントで構成されています。

電極に使用されるグラフェンの量は、固体材料の効率と性能要件によって異なります。さらに、アノードとしてのグラフェンは、高容量と優れたレート能力を提供します。

現在の課題

近年、研究者は、市販のものよりも優れたさまざまなグラフェンベースのバッテリーを実証しました。ただし、このテクノロジーはまだ市場に参入していません。 2つの主要なハードルを克服する必要があります:

  1. 高品質のグラフェンを大量に製造するための効率的なプロセスの欠如
  2. 現在、製造コストは法外に高くなっています。

1キログラムのグラフェンを製造するには数万ドルの費用がかかります。その量は材料の品質の要件によって異なります。現在スーパーキャパシターで使用されている活性炭は低コスト(1kgあたり15ドル)で入手できるため、他の材料が商業市場に参入することは非常に困難です。

グラフェン電池の12の新機能

間もなく、グラフェンは、現在の技術では不可能な並外れた機能を備えた新世代のエネルギー貯蔵デバイスを確立する可能性があります。

1. ACラインフィルタリングを備えたスーパーキャパシタ

垂直に配向されたグラフェンシートに基づく電気二重層コンデンサは、非常に迅速に(1ミリ秒未満で)充電/放電することができます。酸化グラフェン、グラフェン-CNT(Carbon NanoTube)カーペット、グラフェン量子ドットなど、数十の材料がACラインフィルタリングでテストされています。

このような超高速スーパーキャパシタは、現在電子機器で使用されている大型の電解コンデンサに取って代わり、電子機器を軽量化および小型化する可能性があります。

2. 柔軟なエネルギー貯蔵装置

既存のバッテリーとスーパーキャパシターは剛性があります。したがって、それらを曲げると、電解液の漏れやセルの損傷が発生する可能性があります。ただし、2次元の1原子の厚さの構造を持つグラフェンは、損傷を与えることなく、その表面に垂直な方向に変形することができます。

この固有の機械的柔軟性に加えて、驚異的な電気的特性と大きな表面積により、グラフェンはフレキシブルバッテリーの有望な材料になっています。

3. 伸縮性のあるバッテリーとスーパーキャパシタ

マイクロハニカムグラフェン-CNT /活物質複合電極と物理的に架橋されたゲル電解質の構造的伸縮性を活用することで、伸縮性のあるエネルギー貯蔵デバイスを構築できます。

伸縮性基板上のグラフェン-CNT /活物質フィルム|クレジット:ACS Nano

絡み合ったカーボンナノチューブとグラフェンシートを介して相互接続された活物質は、機械的に安定した多孔質ネットワークフレームワークを提供し、ハニカム構造の内側に突き出たフレームワークは、変形中の構造的伸長を可能にします。

4. 急速充電リチウムイオン電池

グラフェンは電極内でのイオンと電子の移動を高速化できるため、グラフェンを搭載したリチウムイオン電池は、はるかに短い時間で充電および放電できます。

たとえば、ナノスケールのLiFePO 4 を搭載したリチウムイオン電池 カソードとLi 4 Ti 5 O 12 柔軟なグラフェンフォームのアノード材料は、わずか18秒で完全に充電できます。純粋なグラフェンをアノードで使用して、容量と超高速の充電/放電速度を向上させることもできます。

5. ウェアラブルデバイス用のバッテリー

同軸電極とコアシース電極の最近の進歩により、電極材料と集電体を1本の糸に組み合わせることが可能になりました。これは、織物に直接織ったり編んだりすることができます。

グラフェンは、多機能マイクロファイバーに効果的に組み立てられ、ファブリックに織り込まれます。グラフェンコアシースマイクロファイバーは、従来の製織方法を使用してテキスタイルに組み込むことができる、柔軟で伸縮性のあるスーパーキャパシター(高い面積容量を備えた)を実証するためにすでに使用されています。

6. 軽量デバイス用の超薄型集電装置

既存のバッテリーは、電極と外部回路の間の電子の流れを促進するために、厚さ20〜80マイクロメートルの金属箔集電体(銅、アルミニウム、ニッケルなど)を使用しています。これらの金属は電荷を蓄えないため、バッテリーの全体的なエネルギー密度を低下させます。さらに、それらは腐食に悩まされ、セルの内部抵抗とバッテリー寿命に悪影響を及ぼします。

一方、グラフェンは、より優れた交流コレクターです。導電率が高く、密度が低く、過酷な動作条件下でも安定して動作します。グラフェンは、表面に波紋やしわのあるフィルムに簡単に変換できるため、活物質との電気的接触が向上します(これにより、セルの抵抗がさらに低下します)。

7. 透明なバッテリーとスーパーキャパシタ

その高い導電率とまともな透明度(最大97.7%の透過率)により、グラフェンは透明な電池をより効率的にする上で重要な役割を果たすことができます。透明なエネルギー貯蔵装置の開発だけでなく、スマートウィンドウ、太陽電池、さまざまなオプトエレクトロニクス機器の電極材料としても使用できます。

8. 長持ちする電池

今日のリチウムイオン電池は、グラファイトアノードを使用しています。グラファイトをグラフェンに置き換えることで、エネルギー密度を高めることができます。

折り畳まれたグラフェン紙、多孔質グラフェンフィルム、および溶媒和グラフェンフレームワークの形のグラフェン電極は、従来のグラファイト電極の3倍の容量を提供し、電気自動車の航続距離とハンドヘルドデバイスの稼働時間を延長します。

容量と電力密度は、グラフェンアノードに窒素とホウ素をドープすることでさらに改善できます。

9. 固体電解質およびセパレーターとしての酸化グラフェン

酸化グラフェンは優れた電子絶縁体です。実行可能な固体電解質と電極分離器の両方として同時に使用できます。いくつかの研究は、固体電解質として機能する酸化グラフェン膜が高い静電容量を示すが、誘電体コンデンサと同様に検出できないイオン拡散を伴うことを示しています。

これらの観察結果は、研究者が、電解質の漏れの危険性の原因となることが多いイオン拡散の影響を受けない、超高速、軽量、エネルギー密度の高いコンデンサの開発に役立つ可能性があります。

10。バッテリーのエネルギー密度を備えたスーパーキャパシター

[多孔質で高密度の]グラフェンフォームで作られたスーパーキャパシタは、鉛蓄電池に匹敵する超高エネルギー密度を持つ傾向があります。これらのグラフェンフォームは、グラフェンの基底面に小さな穴を掘り、高度な油圧装置で圧縮することによって作られています。

従来のスーパーキャパシタに対するグラフェンスーパーキャパシタの主な利点は、水性電解質で動作し、洗練された「ドライルーム」アセンブリなしで製造できることです。

11. 半透性の酸化グラフェン膜

酸化グラフェン膜は、さまざまな独自のバリア特性を示します。乾燥状態では、これらの膜は水蒸気を除くすべてに対して不浸透性です。水中では、モレキュラーシーブとして機能し、大きなイオンをブロックしながら、小さなイオンの輸送を促進します。

これらの機能は、スーパーキャパシタ、バッテリー、および燃料電池用の新世代のイオン選択性膜の開発につながる可能性があります。

12. バインダーおよび無添加電極

バインダーと添加剤を合わせると、電極の質量の最大40%になります。電荷を蓄積せず、全体的なエネルギー密度を低下させるため、「デッドマス」として知られています。

ただし、グラフェンは高導電性の自立型2Dおよび3D構造に組み立てることができるため、バインダーや導電剤を追加することなく、グラフェンを電極に直接組み込むことができます。

読む:全固体電池[簡単な概要]

最近の研究

最近の10年間で、科学者は既存のバッテリーの包括的な電気化学的性能と信頼性の向上に焦点を合わせてきました。彼らは、グラフェン複合材料を備えた多くの異なるバージョンのバッテリーを開発し、テストしました。

最適化されたグラフェン/シリコンナノコンポジットに基づくリチウムイオン電池

研究者は、簡単なテンプレート化された自己組織化法を使用して、最適化された還元型酸化グラフェン/シリコン複合材料を製造しました。グラフェンはシリコンナノ粒子を均一にサポートし、3次元ネットワークを形成します(分子間相互作用の強化と比表面積の増加により)。

最適化されたRGO / Siコンポジットの合成戦略|クレジット:ACS Publications

安定した固体電解質中間相シートとして使用でき、導電率と構造安定性の両方を向上させます。

グラフェンベースのポーチセル

グラフェンベースの準固体リチウム酸素電池は、既存のリチウムイオンポリマー電池よりも高い重量および体積エネルギー密度を提供します。これは、3D多孔質グラフェンカソード、多孔質グラフェン/ Liアノード、およびレドックスメディエーター修飾ゲルポリマー電解質で構成されています。

概略図グラフェンベースのLi-O2バッテリー|クレジット:Nature

この研究は、大容量で低充電過電圧で安定したサイクリングを備えた安全で安定したリチウム酸素電池を開発するための新しい道を開きます。

容量性エネルギー貯蔵用のグラフェンラミネートフィルム

2020年に、研究者のチームは、非常に効率的な細孔利用を備えた自立型グラフェンラミネートフィルム電極を設計しました。フィルムの層間間隔を調整することにより、多孔性を簡単に構成できます。細孔が最適に利用されるため、体積静電容量が最大化されます。

柔軟なグラフェンスーパーキャパシタは、従来のスーパーキャパシタの10倍のエネルギーを蓄えることができます|クレジット:University College London

このタイプのスーパーキャパシタは、5,000サイクル後にエネルギー容量の97.8%を保持できます。また、非常に柔軟性があります。180度曲げた場合でも、平らに置いた場合とほぼ同じように機能します。

レーザー誘起グラフェンベースの電極

科学者たちは、シングルパルスレーザーフォトニックリダクションスタンピングによって柔軟なマイクロスーパーキャパシターを製造しました。この方法を使用すると、1秒間に1,000個の空間成形レーザーを生成でき、10分以内に30,000個を超えるマイクロスーパーキャパシターを生成できます。

1センチメートルの正方形の領域に30,000を超えるMSCが製造されています|クレジット:北京理工大学

このレーザー誘起グラフェンベースの電極は、卓越した比容量、超短時定数、超高エネルギー密度、および長期のサイクル性能を示します。

市場

グラフェンの研究は、人間の生活をより良くすることを約束して、次の10年の間拡大し続けるでしょう。 2019年、世界のグラフェン電池市場は4,900万ドルと評価され、2027年までに約3億9,900万ドルに達すると予測されており、予測期間中に31%を超えるCAGR(複合年間成長率)を記録します。

市場の成長は、電気自動車、携帯型電子機器でのグラフェンバッテリーの使用、および非従来型のエネルギー資源の採用の急増によって推進されています。自動車分野は、環境問題による電気自動車の需要の増加により、最も高い成長率が見込まれています。

読む:10種類の電池|説明

地域に基づいて、アジア太平洋地域はグラフェン電池業界の最大のシェアを占めると予測されています。需要の増加に貢献している主要国は、中国、日本、韓国です。ヨーロッパは、世界のグラフェン電池市場で2番目に大きなシェアを占める可能性があります。


産業技術

  1. パラレルバッテリー
  2. 実用的な考慮事項-バッテリー
  3. 寄生バッテリーの消耗とは何ですか?
  4. バッテリー端子の腐食とは何ですか?
  5. EVバッテリーテストパラメーター
  6. 将来のバッテリーのためのスズナノ結晶
  7. 量子金融システムとは何ですか? [簡単な概要]
  8. 機械学習モデルを使用してバッテリー寿命を正確に予測する
  9. ユビキタスセンシングに対するバッテリーの障害の克服—最後に
  10. メソッドは、バッテリー内部で何が起こっているかを追跡します
  11. 負端子とは?