グラフェンと電池
ハニカム格子状に結合した炭素原子のシートであるグラフェンは、その驚くべき属性が無数にあるため、「不思議な素材」として広く認識されています。 それは電気および熱エネルギーの強力な導体であり、非常に軽量で化学的に不活性であり、大きな表面積で柔軟性があります。 また、環境に優しく持続可能なものと見なされており、さまざまな用途に無限の可能性があります。
グラフェン電池の利点
電池の分野では、従来の電池電極材料（および将来の電池電極材料）は、グラフェンで強化すると大幅に改善されます。 グラフェンバッテリーは、軽量で耐久性があり、大容量のエネルギー貯蔵に適しており、充電時間を短縮できます。 それは電池の寿命を延ばし、それは材料にコーティングされるか電極に追加されて導電性を達成する炭素の量に負の関係があり、グラフェンは従来の電池で使用される炭素の量を必要とせずに導電性を追加します。
グラフェンは、エネルギー密度や形状などのバッテリー属性をさまざまな方法で改善できます。 リチウムイオン電池（および他のタイプの充電式電池）は、電池のアノードにグラフェンを導入し、材料の導電率と大きな表面積の特性を利用して形態学的最適化と性能を実現することで強化できます。
ハイブリッド材料を作成することも、バッテリーの強化を達成するために役立つ可能性があることも発見されました。 酸化バナジウム（VO2）およびグラフェンは、たとえば、リチウムイオンカソードで使用でき、急速充電と放電、および大きな充電サイクルの耐久性を実現します。 この場合、VO2 高いエネルギー容量を提供しますが、電気伝導率は低くなります。これは、VOを取り付けるための一種の構造的な「バックボーン」としてグラフェンを使用することで解決できます。2 –高い容量と優れた導電性の両方を備えたハイブリッド材料を作成します。
もうXNUMXつの例は、充電式リチウムイオン電池の一種であるLFP（Lithium Iron Phosphate）電池です。 他のリチウムイオン電池よりもエネルギー密度は低くなりますが、電力密度は高くなります（電池からエネルギーを供給できる速度の指標）。 グラフェンでLFPカソードを強化することにより、バッテリーは軽量になり、リチウムイオンバッテリーよりもはるかに速く充電され、従来のLFPバッテリーよりも容量が大きくなりました。
電池市場に革命を起こすことに加えて、グラフェン電池とグラフェンの併用 スーパーコンデンサー 電気自動車のゴルフ練習場と効率を改善するという有名なコンセプトのように、驚くべき結果を生み出すことができます。 グラフェン電池はまだ広く商品化されていませんが、電池の飛躍的進歩が世界中で報告されています。
バッテリーの基本
バッテリーはモバイル電源として機能し、電気で動作するデバイスをコンセントに直接接続しなくても動作させることができます。 多くの種類の電池が存在しますが、それらが機能する基本的な概念は同じです。XNUMXつまたは複数の電気化学セルが蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。 バッテリーは通常、金属またはプラスチックのケーシングでできており、正の端子（アノード）、負の端子（カソード）、およびイオンがそれらの間を移動できるようにする電解質が含まれています。 セパレーター（透過性高分子膜）は、アノードとカソードの間にバリアを作成して電気的短絡を防ぎ、電流の通過中に回路を閉じるために必要なイオン電荷キャリアの輸送も可能にします。 最後に、コレクターを使用して、接続されたデバイスを介してバッテリーの外部で充電を行います。
XNUMXつの端子間の回路が完成すると、バッテリーは一連の反応によって電気を生成します。 アノードは、電解質からのXNUMXつ以上のイオンがアノードと結合して化合物を生成し、電子を放出する酸化反応を経験します。 同時に、陰極は還元反応を起こし、陰極物質、イオン、自由電子が結合して化合物になります。 簡単に言えば、アノード反応は電子を生成し、カソードでの反応は電子を吸収し、そのプロセスから電気が生成されます。 電極が反応を起こすのに必要な物質を使い果たすまで、バッテリーは電気を生成し続けます。
バッテリーの種類と特性
バッテリーは、プライマリとセカンダリのXNUMXつの主要なタイプに分けられます。 一次電池（使い捨て）は、一度使用すると、充電中に電極材料が不可逆的に変化するため、使用できなくなります。 一般的な例としては、マンガン乾電池や、おもちゃ、懐中電灯、多数の携帯機器に使用されているアルカリ電池があります。 二次電池（充電式）は、電極の元の構成が機能を取り戻すことができるため、複数回の放電と再充電が可能です。 例としては、自動車に使用される鉛蓄電池や携帯用電子機器に使用されるリチウムイオン電池などがあります。
バッテリーには、さまざまな目的のためにさまざまな形状とサイズがあります。 さまざまな種類のバッテリーには、さまざまな長所と短所があります。 ニッケルカドミウム（NiCd）電池は、エネルギー密度が比較的低く、長寿命、高放電率、経済的な価格が重要な場合に使用されます。 それらは、他の用途の中でも、ビデオカメラや電動工具に見られます。 NiCdバッテリーには有毒金属が含まれており、環境にやさしいです。 ニッケル水素電池は、NiCd電池よりもエネルギー密度が高くなりますが、サイクル寿命も短くなります。 アプリケーションには、携帯電話やラップトップが含まれます。 鉛蓄電池は重く、重量が重要ではなく経済的な価格が重要である大電力アプリケーションで重要な役割を果たします。 それらは、病院の機器や非常灯などの用途で普及しています。
リチウムイオン（Li-ion）電池は、高エネルギーと最小重量が重要な場合に使用されますが、技術は壊れやすく、安全を確保するために保護回路が必要です。 アプリケーションには、携帯電話やさまざまな種類のコンピューターが含まれます。 リチウムイオンポリマー（Li-ionポリマー）バッテリーは、主に携帯電話に搭載されています。 軽量で、リチウムイオン電池よりもスリムなフォルムを楽しめます。 また、通常はより安全で長寿命です。 ただし、リチウムイオン電池は製造コストが低く、エネルギー密度が高いため、あまり普及していないようです。
バッテリーとスーパーキャパシタ
大量のエネルギーを蓄えることができる特定の種類のバッテリーがありますが、それらは非常に大きく、重く、エネルギーをゆっくりと放出します。 一方、コンデンサは急速に充電および放電することができますが、バッテリーよりもはるかに少ないエネルギーを保持します。 ただし、この分野でのグラフェンの使用は、高い充電率と放電率、さらには経済的な手頃な価格で、エネルギー貯蔵のエキサイティングな新しい可能性をもたらします。 グラフェンで改善された性能は、それによって従来の区別の線を曖昧にします スーパーコンデンサー と電池。
グラフェン電池は、電池とスーパーキャパシタの両方の利点を兼ね備えています
グラフェン強化バッテリーはほぼここにあります
グラフェンベースのバッテリーには刺激的な可能性があり、まだ完全には市販されていませんが、研究開発は集中的であり、将来的に結果が得られることを願っています。 世界中の企業（Samsung、Huaweiなどを含む）がさまざまなタイプのグラフェン強化バッテリーを開発しており、そのうちのいくつかは現在市場に参入しています。 主な用途は、電気自動車とモバイルデバイスです。
一部の電池は、電池の化学的性質ではなく、周辺の方法でグラフェンを使用します。 たとえば、2016年には Huaweiは新しいグラフェン強化リチウムイオン電池を発表しました グラフェンを使用して、より高い温度（既存の60°の制限とは対照的に50°度）で機能を維持し、5倍の動作時間を提供します。 グラフェンは、熱放散を改善するためにこのバッテリーに使用されています。これにより、バッテリーの動作温度がXNUMX度低下します。
