Grafen piller: tanıtım ve piyasa haberleri
Grafen ve piller
Grafen, karbon atomlarından oluşan bir bal peteği kafes yapısıdır ve sayısız şaşırtıcı özelliği nedeniyle, yaygın olarak "sihirli bir malzeme" olarak kabul edilir. Çok hafif kimyasal eylemsizliğe ve geniş bir özgül yüzey alanına sahip güçlü bir elektrik ve ısı iletkenidir. Ayrıca sayısız uygulama için sınırsız olanaklarla birlikte çevre dostu ve sürdürülebilir olarak kabul edilir.
Grafen pillerin avantajları
Pil alanında, grafen geliştirildikten sonra, geleneksel pil elektrot malzemeleri (ve gelecekteki pil elektrot malzemeleri) önemli ölçüde geliştirildi. Grafen piller hafiftir, dayanıklıdır, büyük kapasiteli enerji depolamaya uygundur ve şarj süresini kısaltabilir. Pilin ömrünü uzatacaktır ve pilin ömrü, malzeme üzerine kaplanan veya iletkenlik elde etmek için elektroda eklenen karbon miktarı ile ters orantılıdır. Grafen, geleneksel pillerde kullanılan karbon miktarı olmadan iletkenliği artırır.
Grafen, pillerin enerji yoğunluğunu ve şeklini birçok yönden iyileştirebilir. Lityum iyon piller (ve diğer şarj edilebilir pil türleri), malzemenin iletkenliğini ve geniş alan yüzey alanı özelliklerini kullanarak pilin anotuna grafen ekleyerek morfoloji optimizasyonu ve performans artışı sağlayabilir.
Ayrıca, hibrit malzemelerin imalatının da pillerin geliştirilmesine katkıda bulunduğu bulunmuştur. Örneğin, bir vanadyum oksit (VO2) ve grafen karışımı, hızlı şarj ve deşarj ve daha fazla şarj döngüsü dayanıklılığı ile lityum iyon katotlar için kullanılabilir. Bu durumda, VO2 yüksek enerji kapasitesine sahiptir, ancak iletkenliği zayıftır.Bu, grafeni yapısal bir "omurga" olarak kullanarak ve yüksek bir enerji oluşturmak için ona VO2 eklenerek çözülebilir. Karışık malzeme kapasitesi ve mükemmel iletkenlik.
Diğer bir örnek, yeniden şarj edilebilir bir lityum iyon pil olan LFP (lityum demir fosfat) pildir. Enerji yoğunluğu diğer lityum iyon pillerden daha düşüktür, ancak güç yoğunluğu daha yüksektir (bu, pilin enerji sağlama oranının bir göstergesidir). LFP katodunu grafenle güçlendirmek, pili daha hafif hale getirir, lityum iyon pillerden daha hızlı şarj olur ve geleneksel LFP pillerinden daha büyüktür.
Akü piyasasında devrim yaratmanın yanı sıra, grafen pillerin ve grafen süperkapasitörlerin bir arada kullanılması, elektrikli araçların kilometre ve verimliliğini iyileştirmeye yönelik ünlü konsept gibi şaşırtıcı etkiler de üretebilir. Grafen piller henüz yaygın bir şekilde ticarileştirilmemiş olsa da, dünya pil atılımlarını bildiriyor.
Temel pil bilgisi
Mobil bir güç kaynağı olarak pil, elektrikli ekipmanın doğrudan prize takılmadan çalışmasına izin verir. Birçok pil türü olmasına rağmen, işlevleri için temel kavram benzerdir: Bir veya daha fazla elektrokimyasal hücre, depolanan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Piller genellikle metal veya plastik bir kasadan yapılır ve aralarında pozitif elektrot (anot), negatif elektrot (katot) ve iyonların hareket etmesine izin veren bir elektrolit içerir.
Ayırıcı (geçirgen bir polimer membran), kısa devreleri önlemek için anot ve katot arasında bir bariyer oluştururken, akım geçişi sırasında devreyi kapatması gereken iyonik yük taşıyıcılarının taşınmasına izin verir. Son olarak, bataryayı bağlı cihazın dışında şarj etmek için toplayıcıyı kullanın.
İki terminal arasındaki devre tamamlandığında, pil bir dizi reaksiyonla elektrik üretir. Anotta bir oksidasyon reaksiyonu meydana gelir ve elektrolitteki iki veya daha fazla iyon, bir bileşik üretmek ve elektronları serbest bırakmak için anotla birleşir. Aynı zamanda, katot bir indirgeme reaksiyonuna girer ve katot malzemesi, iyonlar ve serbest elektronlar birleşerek bir bileşik oluşturur. Basitçe ifade etmek gerekirse, anot reaksiyonu elektron üretirken, katot reaksiyonu elektronları emer ve işlemden elektrik üretir. Pil, reaksiyon için gerekli maddeleri üretmek üzere elektrotlar bitene kadar elektrik üretmeye devam edecektir.
Pil tipi ve özellikleri
Piller esas olarak iki türe ayrılır: birincil piller ve ikincil piller. Birincil piller (tek kullanımlık piller) için, elektrot malzemesi şarj işlemi sırasında geri dönüşü olmayan değişikliklere uğrar ve kullanıldıktan sonra geçersiz hale gelir. Yaygın örnekler, oyuncaklarda, fenerlerde ve birçok taşınabilir cihazda kullanılan çinko-karbon piller ve alkalin pillerdir. İkincil pil (yeniden şarj edilebilir) birçok kez boşaltılabilir ve şarj edilebilir çünkü orijinal bileşim elektrotu işlevini yerine getirebilir. Örneğin otomobillerde kullanılan kurşun asitli piller ve taşınabilir elektronik ürünlerde kullanılan lityum iyon piller.
Piller çeşitli şekil ve boyutlarda gelir ve sayısız farklı amaç için kullanılır. Farklı pil türleri, farklı avantaj ve dezavantajlar gösterir. Nikel-kadmiyum (NiCd) piller nispeten düşük enerji yoğunluğuna, uzun hizmet ömrüne, yüksek deşarj oranına ve düşük fiyata sahiptir. Kameralarda, elektrikli aletlerde ve diğer kullanımlarda bulunabilirler. Nikel-kadmiyum piller, çevreye zararlı toksik metaller içerir. Ni-MH piller, Ni-MH pillerden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak aynı zamanda daha kısa çevrim ömürlerine sahiptir. Uygulamalar cep telefonlarını ve dizüstü bilgisayarları içerir. Kurşun asitli aküler ağırdır ve yüksek güçlü uygulamalarda önemli bir rol oynar.Yüksek güçlü uygulamalarda ağırlık anahtar değil, ekonomik fiyat anahtardır.
Lityum iyon (Li-ion, Li-ion) piller yüksek enerji ve minimum ağırlık ile kullanılır ancak teknoloji kırılgandır ve güvenliği sağlamak için bir koruma devresi gerektirir. Uygulamalar cep telefonlarını ve çeşitli bilgisayarları içerir. Li-ion Polimer (Li-ion Polimer, Li-ion Polimer) piller çoğunlukla cep telefonlarında bulunur. Lityum pillere göre çok hafif ve daha ince ve daha hafiftirler. Ayrıca genellikle daha güvenlidirler ve daha uzun ömürlüdürler. Bununla birlikte, lityum iyon pillerin daha düşük üretim maliyeti ve daha yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle, daha az yaygın görünmektedirler.
Pil ve süper kapasitör
Bazı pil türleri çok fazla enerji depolayabilseler de, büyüktürler, ağırdırlar ve enerji yaymaları yavaştır. Öte yandan, kapasitörler hızlı bir şekilde şarj ve deşarj olabilir, ancak pillerden çok daha az enerji içerir. Bununla birlikte, grafenin bu alanda uygulanması, yüksek şarj ve deşarj oranları ve hatta ekonomik faydalar ile enerji depolama için heyecan verici yeni olanaklar sağlar. Grafenin geliştirilmiş performansı bu nedenle süper kapasitörler ve piller arasındaki geleneksel sınırları bulanıklaştırdı.
Grafen piller, pillerin ve süper kapasitörlerin avantajlarını birleştirir
Grafen ile güçlendirilmiş pil ürünleri ticarileştirme yolunda ilerliyor Grafen bazlı piller heyecan verici potansiyele sahipler Henüz tamamen ticarileştirilmemiş olsalar da Ar-Ge yoğun ve gelecekte sonuç vermesi bekleniyor.
Aralık 2018'de Hindistan merkezli Log 9 Materials, grafen metal-hava pilleri geliştirdiğini duyurdu.Teoride, bu tür piller su ile elektrikli araçlar yapmak için bile kullanılabilir. Metal hava pilleri anot olarak metal, katot olarak hava (oksijen) ve elektrolit olarak su kullanır. Pilin hava katodu grafen çubuklar kullanır. Katot olarak oksijen kullanılması gerektiğinden, katot malzemesinin havanın geçmesine izin verecek şekilde gözenekli olması gerekir ki bu da grafenin avantajıdır. Log 9 malzemesine göre elektrotta kullanılan grafen, maliyetin üçte biri oranında pil verimini beş kat artırabilir.
Kasım 2017'de Samsung, lityum iyon pillerin daha uzun süre dayanmasını ve daha hızlı şarj olmasını sağlayan benzersiz bir "grafen topu" geliştirdi. Hatta Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), pil yapmak için bu yeni tip grafen bilyeli malzemenin kullanılmasının pil kapasitesini% 45 ve şarj hızını 5 kat artıracağını belirtti. Bazıları, Samsungun pilinin, elektrikli araçlar için bir gereklilik olan 60 santigrat derece sıcaklığı koruyabilecek bu grafen bilyeli malzemeyi kullanacağını söylüyor.
Kasım 2016'da Huawei, daha yüksek bir sıcaklıkta (mevcut 50 ° sınır yerine 60 °) işlevi koruyabilen ve daha uzun çalışma süresi sağlayan yeni bir grafenli lityum iyon pil piyasaya sürdü. -Önceki pilden iki kat. Bu atılımı başarmak için Huawei, elektrolitte ayrışmayı önleyici katkı maddeleri, kimyasal olarak kararlı tek kristal katotlar ve ısı dağılımını destekleyen grafen dahil olmak üzere birkaç yeni teknoloji geliştirdi. Huawei, grafenin pilin çalışma sıcaklığını 5 derece azaltabileceğini söyledi.
Haziran 2014'te, ABD merkezli Vorbeck Materials şirketi, mevcut herhangi bir çanta kayışına bağlanabilen ve mobil şarj istasyonlarını destekleyen hafif ve esnek bir güç kaynağı olan vr-power strap adlı bir ürün çıkardı ( 2 USB bağlantı noktası ve bir mikro USB bağlantı noktası aracılığıyla). Ürün 450 gram ağırlığında ve dünyanın ilk grafenli bataryası olabilecek 7.200 mAh sağlıyor.
Mayıs 2014'te, Birleşik Devletler'deki Angstron Materials, birkaç yeni grafen ürünü piyasaya sürdü. Bu ürünlerin 2014 yılı sonunda piyasaya çıktığı ve lityum iyon piller için bir dizi grafenli anot malzemesi içerdiği söyleniyor. Bu pil malzemesi "Nano-GCA" olarak adlandırılır ve yüksek kapasiteli bir anot haline getirilmesi beklenir.Yüksek kapasiteli silikonu mekanik takviye ve iletken grafen ile birleştirerek yüzlerce şarj ve deşarj döngüsünü destekleyebilir.
