Особое применение графена в его электропроводности

Графен как двумерная модификация углерода имеет  большую механическую жесткость и теплопроводность. Особенные химические и физические свойства,  обусловленные кристаллической структурой, определили широкое применение графена.

За создание этого углеродного материала Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена  ученым Константину Новоселову и Андрею Гейму. Российская наука дала этих ученых которые работали в Великобритании. 

Графен — форма углерода в которой атомы объединились и создали пленку в один слой.

Именно это свойство позволило привлечь этот материал для применения  в  важном и полезном использовании света от солнца – разработке солнечных батарей как многообещающий источник возобновляемой энергии с малыми  издержками для их установки, потенциально уменьшая масштабы изменения климата.

Где используется графен

Солнечные батареи сейчас изготавливаются на основе кремниевых солнечных фотоэлектрических элементах. Кроме того, в изготовлении  применяются редкие проводящие металлы и оксид индия.
Теперь исследователи создали первый углерод  батарею работающую от Солнца, в которой  активным слоем и электродом  являются углерод.

В углерод солнечных батареях, серебро и  оксид индия-олова (полупроводниковый материал) заменяются на графен и одностенные углеродные нанотрубки, которые являются эффективным проводником и легким амортизатором. Существенно также продвинулись методы и технологии для производства углеродных нанотрубок и молекулярных соединений. Покрытие разработано так, чтобы быть более гибким по сравнению с жесткими кремниевыми элементами.

Тонкопленочные элементы, которые были построены с активным слоем на основе углерода являются прототипом с пока еще относительно низким КПД (около 1% солнечной энергии преобразуется в электрическую энергию, по сравнению с 20% эффективностью  солнечного преобразования на основе кремния солнечных элементов).

Однако, массовое производства на основе применения графена  может привести к удешевлению. Разрабатываемые  батареи  могут быть установлены на земле (в том числе на зданиях, машинах, строениях).  Очевидно, что трудоемкость, необходимая для изготовления  углерода на единицу энергии меньше, чем эксплуатации фотоэлектрических элементов на основе полупроводника кремния.

Углерод  элементы имеют потенциал для снижения спроса на другие способы производства электроэнергии, которые создают большее количество парниковых газов, чтобы обеспечить электричеством  регионы, где отсутствуют другие источники электрической энергии и мощности для производства других видов энергии.
Широкое применение графена —  в солнечных батареях. Стоимость сотни российских рублей за квадратный сантиметр, но, очевидно, цена будет изменяться.

Значение материала

Недавнее открытие графена, свободно стоящего двумерного углеродного материала, привлекло всеобщее внимание благодаря своим выдающимся механическим, тепловым и электрическим свойствам. Графен был использован в широком диапазоне применений, включая суперконденсаторы, батареи, солнечные элементы, датчики, композиты и гидрогели.

Кроме того эта особая форма углерода была использована в качестве подложки для изготовления металлических графенов с различными приложениями, такими носители катализаторов, анодные материалы для литий-ионных батарей и так далее.

Функционализированная трехмерная наноструктура на основе графена в качестве подложки в последнее время привлекает внимание благодаря своему высокому соотношению поверхности к объему, электрохимическим характеристикам и уменьшенной агломерацией, обусловленной уникальной структурой.

Графеновые материалы  доказали свою полезность в таких областях применения, как очистка воды, супергидрофобные поверхности, прозрачные проводящие пленки, механически совместимые пленки,  электроды для вторичной обработки, аккумуляторы и солнечные батареи.

Применение в литий-ионных аккумуляторах

В литий-ионных аккумуляторах катодными материалами обычно являются неорганические соединения, такие как оксиды переходных металлов, характеризующиеся слоистыми или туннельными структурами.

Извлеченные ионы лития из катодов оксида металла лития вставляются в графитовый углеродный анод во время процесса заряда. В цикле разряда ионы лития, вставленные в углеродные слои, могут быть легко извлечены и транспортированы обратно к катоду.