Графит и графен в литий-ионных аккумуляторах
Графит:
СМИ в 2015 г. спрогнозировали немалый спрос на графит, связанный с достаточно большим запросом на закупку литий-ионных аккумуляторов, который вызвало популярность разных видов электротранспорта. На рынке появились спекуляции, предвещающий сильный недостаток графита, ведь только один электромобиль требует около 25 кг. данного материала. Но стоит заметить, что, в нынешние дни он доступен и цена стабильно доступная, правда временами бывает, что цена повышается.
Для того чтобы изготовить графитовый анод с чистотой в 99,99 процентов требуется много ресурсов на весь процесс, оставляющий за собой множество химических отходов. На выходе стоимость анода зависит не от материала, а от процесса очистки. Переработка и повторное применение использованных графитовых анодов требуют еще больше затрат из-за сложнейшего процесса регенерации.
Углерод и графит – близкие друг другу материалы. Графит считается аллотропной формой углерода, - структурной модификацией, которая получается методом скрепления молекул соединяясь вместе особым образом. Графит представляет более стабильный класс углерода. Алмаз, метастабильный аллотроп углерода, известный своими непревзойденными физическими свойствами, не такой стабильный, нежели графит, ведь графит в разы мягче и пластичнее.
Какими ещё свойствами обладает графит? Термостойкость, электро/теплопроводность, корроизно-стойкий и очень легкий. Кроме анодов для литий-ионных аккумуляторов, высококачественный графит также используется в топливных элементах, солнечных батареях, полупроводниках, светодиодах и ядерных реакторах. А на производство аккумуляторов достаточно использовать всего только 5% графита, от всех запасов этого минерала.
В индустрии создания аккумуляторов графит имеет два типа: природный - добываемый из шахт и синтетический на основе нефтяного кокса. На их основе и производят аноды для литий-ионных аккумуляторов, хотя большее предпочтение отдается синтетике. Зачастую выбор останавливается именно на синтетическом материале графита благодаря его совершенной консистенции и чистоты в 99,0%. Хотя уже давно и в современном методе очистки природного графита достигли уровня чистоты в районе 99,9%.
В природном графите же лучшая кристаллическая структура и высокая электро/теплопроводность - которая больше чем в синтетическом. Натуральный графит имеет меньшую итоговую цену не проигрывая в производительности. Цена синтетического графита в районе 9.900 тыс. долларов/тонна, в тоже время у натурального графита(порошок) цена приблизительно 5.500 - 6850 тыс. долларов( в 2020 году ). Вдобавок натуральный графит использовать намного экологичнее и и на нём основывается построение прогрессивного грядущего в массы материала - графена...
Графен:
Графен выглядит как аллотроп углерода в виде двумерной гексагональной решетки. Ровно как лист чистого углерода, а толщина его 1 атом. Он легко сгибаем, бесцветный, не боиться влаги, при этом крепче алмаза, и, лучше золота проводит ток. Учёные считают графен заменит и станет основным используемым материалом в производстве аккумуляторов и других устройствах где его применяют. Известно, что анод из графена способен хранить в себе энергии больше чем в графитовом и ускорить процесс зарядки в 10 раз. Материал долговечен и, с намного более высокими нагрузочными характеристиками, в чем другие сильно уступают.
Используя простые графитовые аноды, ионы лития собираются вокруг внешней поверхности электрода. Графеновый анод же даёт этим ионам пройти внутрь себя, используя микроскопические отверстия в графеновых пластинах - размером приблизительно 10-20 нм. Так сберегается большой участок хранения и доступ к ионам, предоставляя им возможность увеличить их энергию десятикратно, что больше чем у обычного графитового анода.
Но даже батарею с графефновым анодом, можно модернизировать добавив оксид ванадия к катоду. В ходе экспериментов батареи демонстрируют поразительные результаты в виде сверхбыстрой зарядки за 20-30 сек, с сохранением примерно в районе 90 % от ёмкости после 9999 тыс. циколов заряда и разряда. Так же графеном можно увеличить удельную энергоёмкость суперкондесаторов. см. (рис. 1)
Все атомы углерода помещают в себе 3 электрона формирующих химическую связь с остальными. Об этих необычайных свойствах графена знали уже несколько десятилий, и как только прозошел скачок в развитии технологии, так сразу начало получаться производить этот материал. На рынке электроустройств пока что немного из устройств используют графен, но в скором времени, он завоюет свое место на массовом рынке.