Сегодня смартфоны, независимо от производителя и моделей, имеют одну и ту же повторяющуюся проблему – автономность, время работы устройства от одной подзарядки. Если сегодня одним из самых популярных и самых автономных смартфонов является Galaxy Note, то время его работы было бы несколько лет назад просто смешным. Раньше телефон можно было зарядить и целую неделю не думать о том, что нужно поискать розетку и зарядное устройство. Теперь инженеры и исследователи находятся в поисках более современного аккумулятора или новых технологий.

Группа исследователей из Университета Вандербильта (штат Теннесси) смогла создать прототип революционной батареи. Представьте себе возможность заряжать смартфон всего за несколько секунд и при этом он потом сможет проработать несколько недель.

Но нам придется отказаться от нынешнего типа батарей, которые могут оказаться в ближайшее будущее атавизмом, ведь в будущем батареи будут представлять собой супер-конденсаторы. Работать они будут на кремниевом чипе с графеном, который за счет своей пористой структуры будет собирать на себе заряд. Если попытаться найти аналог, то представьте себе пористый сыр, а сам материал имеет огромное преимущество для хранения электроэнергии.

Прототип батареи был создан путем объединения оксида графена с гидразином в воде с использованием ультразвука. Полученное вещество потом нагревается до 140 градусов по Цельсию и затем в течение 5 часов выдерживают под давлением 300кг/см2. В конце концов, получается чрезвычайно пористый графен. Всего 1 грамм такого вещества имеет площадь поверхности больше, чем баскетбольная площадка. К примеру, если заряжать всего 3 секунды грамм такого материала, то заряда хватит на горение светодиода в течение 5 минут.

С такими возможностями в будущем вопрос подзарядки уже будет полностью исключён. Также есть и другая вторичная положительная черта – смартфоны могут быть еще тоньше и легче. Батарея будущего с использованием новой технологии сможет отработать до 5000 циклов, что хватит примерно на 100 лет, а также она будет гибкой и сам материал еще биоразлагаемый.

Очевидно, что с такими свойствами графен станет очень популярным материалом для производства смартфонов, но его наверняка станут использовать и в других сферах – автомобили, компьютеры и т.д.

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.

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.

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.

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:

Исследовательская группа Максима Коваленко базируется в ETH Zurich и в Лаборатории тонких пленок и фотоэлектрических систем Empa. Амбициозная цель команды - создать батарею из наиболее распространенных элементов земной коры, таких как магний или алюминий, что позволило бы быстро увеличить производство аккумуляторов простым и недорогим способом. К тому же эти материалы безопасны в использовании, даже если анод изготовлен из чистого металла.

В традиционных батареях электрический ток возникает за счет катионов металлов, перемещающихся между анодом и катодом и обратно. В качестве альтернативы можно использовать большие, но легкие органические анионы. Однако это порождает ряд вопросов: в какой среде должны перемещаться эти легкие анионы и какой материал подойдет для изготовления катода? В литий-ионных батареях катод изготовлен из оксида металла, который может легко поглощать небольшие катионы лития во время зарядки. Однако большие органические ионы слишком велики и имеют заряд, противоположный заряду катионов лития.

Чтобы решить эту проблему, команда Коваленко поставила принцип литий-ионной батареи с ног на голову. В обычных литий-ионных батареях анод выполнен из графита, слои которого в заряженном состоянии содержат ионы лития. Напротив, в батарее Коваленко графит используется как катод, а крупные анионы осаждаются между слоями графена. Анод, в свою очередь, сделан из металла.

Empa / ETH Zürich

Сотрудник лаборатории Константин Кравчик обнаружил, что в качестве доступного материала для катодов может использоваться отработанный в ходе производства стали графит, так называемая графитовая спель. Так же хорошо подходит естественный графит, поставляемый в виде хлопьев и имеющий открытую молекулярную структуру, куда могут легче проникать крупные анионы. В то же время мелкозернистый графит, обычно используемый в литий-ионных батареях, не подходит для батареи Коваленко: в таком графите слои смяты, и внутрь способны проникать лишь небольшие литиевые катионы.

Батарея с катодом, изготовленным из графитовой спели или необработанных графитовых хлопьев, может стать очень рентабельной. И, как показали первые эксперименты, долговечной: лабораторный прототип в течение нескольких месяцев пережил тысячи циклов зарядки и разрядки. По словам членов команды, аккумулятор на основе хлорида алюминия и графита может эксплуатироваться в течение десятилетий в повседневном бытовом использовании. В настоящее время исследовательская группа работает над увеличением напряжения батареи и плотности энергии.

Александр Пехов – разработчик газовых аккумуляторов и топливных элементов снял видео про изготовление хлор-алюминиевого аккумулятора. На идею такой батареи автор натолкнулся случайно ходе экспериментов со сменой различных электролитов. Мысль пришла к нему в процессе зарядки на основе поваренной соли. Образуется хлор и едкий натр. Предположительно, натрий является минусом. Если залить вместо поваренной соли раствор едкого натрия, с хлором. Да, возможно что-то получится.Так и был найден способ изготовления хлор алюминиевого аккумулятора.

Первая экспериментальная модель собрана на скорую руку, но показала себя неплохо в работе. светится уже в течении двух недель.

Что такое хлор алюминиевая батарея.
Изучая опыт других экспериментатор в интернете, мастер обнаружил разработку такой батареи, запатентованную в семидесятых годах в США.

Конструкция и работа устройства. Работает на простом домашнем отбеливателем, белизне. На таком электролите можно сделать замечательные аккумуляторы.
Алюминий в таком растворе не разрушается, за две недели образуется только кристаллики. При этом происходит заряд разряд.

Стакан, графитовый электрод, на него намотана обычная бумага. Спиралька из крученой проволоки. Блокинг-генератор в коробке из киндера. 1 элемента не потянет светодиод, поэтому нужен такой генератор.

Как собирается батарея. Заливаем белизну в стакан. Ждём, пока пропитается. Ждем, когда загорается светодиод. Это происходит практически сразу. Светодиод на 3 вольта. Какую вещь можно сделать с раствором поваренной соли. Но срок его работы будет не длительном. Отбеливатель кардинально превосходит по времени работы.

Посмотрим, сколько вольт выдает устройство. 1,5 вольта. Только 170 миллиампер.
Мастер создал аккумулятор внушительных размеров. На ночь оставляет его включенным, утром в течении 5 минут заряжают. После зарядки устройства как-бы набирает обороты. Увеличивается вольтаж. Светит и без просадки целую ночь.

Длительные эксперименты пока не проводились. Необходимо узнать, насколько только хватит зарядки, сколько нужно алюминия, раствора.

Рассмотрим, как собрана одна ячейка аккумулятора. Конечно, если взять алюминиевый и графитовые пластины большой площади, уменьшив при этом расстояние между ними, то есть поставить мембрану, залить электролитом, увеличился бы ток и получился бы замечательный мощный аккумулятор. Если алюминия расходуется, то это будет механический перезаряжаемые устройство. Если не расходуется, то это будет просто а к б.

Как собрал элементы на скорую руку?

В наличии пластмассовая трубка. Один конец запаял пробкой от пластиковой бутылки. Для герметизации силикон. На другой стороне обрезанная горлышко. Сердцевина представляет из себя графитовый стержень, на него намотана бумага. Проклеена, чтобы не размазывается. Завернуто, чтобы электролита шел только через бумагу. Сверху скручена алюминиевая пружинка. Можно одеть трубку. В идеале желательно собрать из пластин. Пока неизвестно, будет ли разрушаться алюминий. Но эксперименты, проведённых течение 5 дней показал, что алюминий сохранил свою целостную структуру. Проверка показала, что не было никаких окислившихся или разъеденных белизной мест.

Из нескольких таких пластмассовых трубок, начиненных графитом и алюминием, залитых раствором, собрана одна большая аккумуляторная батарейка. Выдает устройство в пределах 8 вольт, просадка на 3 вольта. Только небольшой. Соединение последовательное для увеличения вольтажа.

Мнение одного из подписчиков канала: это не аккумулятор, это просто, батарейка. Если тратится 0.2 ампера. 1 Ампер – это 1 кулон/секунду, 1 кулон – это – 1,6 х 10 ¹ ⁹ электронов. Т. о. За 1 секунду будет расходоваться 0.2*1,6 х 10 ¹ ⁹ = 3.2 х 10 ¹⁸ электронов. Алюминий трех валентный, т.е. в нем возможно окислить три электрона. Т.е. число атомов алюминия, окисляемые таким образом за 1 секунду = 3.2 х 10 ¹⁸/3 =1.1 х 10 ¹⁸ атомов алюминия. Вес 1 атома алюминия = 4.48 х 10 ⁻² ³ грамма. Перемножаем вес одного окисленного Аl на число окислений в секунду 1.1 х 10 ¹⁸ * 4.48 х 10 ⁻² ³ = 0.00005 грамма Al в секунду. Вывод – проволока весом 5 грамм (проволока 26 см 3 мм в диаметре) и таким током будет окисляться 5 / 0.00005 = 100000 секунд или 27 часов или около суток.

Вторая часть

Продолжение работы ведущего канала “Александр Пехов” над этим устройством. Осознан светильник, который выдает свет на хлорке, алюминии и отбеливателе. Три дня будет светить стабильно, потом нужно менять раствор, а алюминия хватит очень надолго при нагрузке одними светодиодами. В комментариях под видео автор указал, что раствор обновлять следует 1 раз в сутки.

Конечно, батарейку легко купить в любом магазине хозтоваров, электроники или в гипермаркете. Однако ради интересных опытов и получения знаний "школы жизни" все же стоит знать, как сделать батарейку своими руками. Тем более процесс такой работы весьма занимательный и несложный.

Батарейка из лимона: два варианта

Для первого варианта вам будет нужен:

• собственно лимон;
• оцинкованный гвоздь;
• 2 небольших отрезка медной проволоки;
• медная монетка;
• небольшая лампочка.

Процесс работы таков:

1. Сделайте на фрукте два надреза на некотором расстоянии друг от друга.
2. В один надрез поместите гвоздь, а в другой - монетку.
3. И к гвоздю, и к монете подсоедините по кусочку проволоки. Вторые концы этого импровизированного проводка должны соприкасаться с контактами лампочки.
4. И все - да будет свет!

Самодельную батарейку из кислого фрукта можно сделать и с помощью:

• одного того же лимона;
• канцелярской скрепки;
• лампочки;
• 2-х отрезков изолированной медной проволоки диаметром 0,2-0,5 мм и длиной 10 см.

Алгоритм следующий:

1. Зачистите 2-3 см изоляции на концах каждой из проволок.
2. Прикрепите оголенную часть одного проводка к скрепке.
3. Сделайте в лимоне два надреза в 2-3 см друг от друга - по ширине скрепки и для второго проводка. Вставьте эти элементы во фрукт.
4. Свободные кончики проволоки приложите к контактной части лампочки. Если она не загорелась, значит, выбранный лимон не достаточно мощен - последовательно соедините несколько фруктов между собой и повторите опыт.

Батарейка из картофеля

Запаситесь:

• двумя картофелинами;
• тремя проводами с зажимами;
• двумя хромированными гвоздями;
• двумя медными гвоздями.

Итак, как сделать батарейку из клубней:

1. Дайте условное обозначение каждой из картофелин - "А" и "Б".
2. В края каждого из клубней воткните по хромированному гвоздику.
3. В противоположный край - медный гвоздь. В теле картошек гвозди не должны пересекаться.
4. Возьмите какое-либо устройство, питающееся от батарейки, выньте ее и оставьте отсек открытым.
5. Первый провод должен соединить медный штырек клубня "А" с положительным полюсом в отсеке батарейки.
6. Второй провод соединяет хромированный штырек картофелины "В" с отрицательным полюсом.
7. Последний провод соединяет хромированный гвоздь клубня "А" с медным гвоздем клубня "Б".
8. Как только вы замкнете таким образом все провода, картошка начнет питать устройство энергией.

Картофель в этом опыте можно заменить на банан, авокадо или любой из цитрусовых.

Батарейка из фольги, картона и монеток

Перед тем как сделать батарейку, приготовьте:

• медные монетки;
• уксус;
• соль;
• картон;
• фольгу;
• скотч;
• два кусочка изолированной медной проволоки.

Все готово? За дело:

1. Сначала нужно капитально очистить монетки - для этого налейте уксус в стеклянную емкость, добавьте туда же соли и засыпьте деньги.
2. Как только поверхности монеток преобразились и заблестели, выньте их из тары, возьмите одну и 8-10 раз обведите ее контур на картоне.
3. Вырежьте картонные кругляшки по контуру. Затем поместите их в тару с уксусом на некоторое время.
4. Сложите фольгу несколько раз так, чтобы в итоге получилось 8-10 слоев. Обведите на ней монетку и также вырежьте круглые детали по контуру.
5. На этом этапе начните собирать батарейку. Делается это так: медная монета, картон, фольга. В таком порядке сложите в столбик все имеющиеся у вас компоненты. Завершающим слоем должна быть только монетка.
6. Снимите с кончиков проводков изоляцию.
7. Отрежьте небольшую полоску скотча, приклейте на нее один кончик проводка, сверху поставьте импровизированную батарейку, на нее - кончик второго проводка. Надежно закрепите конструкцию клейкой лентой.
8. Вторые кончики проволоки подсоедините к "+" и "-" устройства, которое необходимо напитать энергией.

Вечная батарейка

Приготовьте:

• стеклянную банку;
• серебряный элемент - например ложку;
• пищевую пленку;
• медный провод;
• 1 чайную ложку поваренной соды;
• 4 пузырька глицерина;
• 1 чайную ложку 6 % яблочного уксуса.

1. Плотно обмотайте ложку пищевой пленкой, оставив ее верхний и нижний конец слегка оголенным.
2. Теперь настало время обмотать ложку поверх пленки медной проволокой. Не забудьте оставить длинные концы в начале и в конце для контактов. Делайте пространство между витками.
3. И снова слой пленки, а за ним - проволоки таким же методом. Слоев "пленка-проволока" на этой импровизированной катушке должно быть не менее семи. Не затягивайте слои чересчур - пленка должна наматываться свободно.
4. В стеклянной банке подготовьте раствор из глицерина, соли и уксуса.
5. После того как соль растворится, в раствор можно погружать катушку. Как только жидкость помутнеет, "вечная" батарейка будет готова к эксплуатации. Срок ее службы напрямую зависит от содержания серебра в элементе-основе катушки.

Графитовый стержень: применение

Графитовая составляющая из старых батареек - это не только основа для нового источника энергии, но и элемент, который можно использовать для электросварки. Делается это по нехитрой схеме:

1. Заточите графитовый стержень из старой батарейки под углом в 30-40 градусов.
2. Зажимом типа "крокодил" с токонепроводящей ручкой подсоедините его к "+" и "-" источника переменного или постоянного тока.
3. К зачищенной детали подключить "0" и "-".
4. Электрод по мере выгорания необходимо периодически затачивать.

Как сделать батарейку дома? Потребуются подручные материалы, немного энтузиазма и усидчивости. В обмен вы получите альтернативные источники энергии.