Высокопроизводительные и экономичные ультраконденсаторы, изготовленные на базе графена и нанотрубок

Новости АО

Высокопроизводительные и экономичные ультраконденсаторы, изготовленные на базе графена и нанотрубок

Samsung разрабатывает топливные элементы для медиаплееров

ASUS будет выпускать ноутбуки Lamborghini

Новые ЖК-панели EPSON для мультимедиапроекторов

Kodak прекращает сотрудничество с Sanyo

В Philips создана полностью пластиковая метка RFID

Seagate представила однодюймовый винчестер емкостью 12 Гбайт

Digismart: проектор в мобильном телефоне

Разработчики Toshiba и NEC совершенствуют магнитную память

Батарея будущего — ультраконденсатор на нанотрубках

Samsung разрабатывает топливные элементы для медиаплееров

Инженеры компании Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) разработали прототип топливного элемента, предназначенного для портативных медиаплееров. Исследования в этой области были начаты в 2004 году, а общий объем инвестиций составил немногим менее 4 млн. долл.

На данном этапе энергоемкость прототипа позволяет обеспечить автономную работу портативного медиаплеера, потребляющего 1,5 Вт, в течение 4 часов. В качестве топлива применяется метанол. Для возобновления запаса топлива используются сменные картриджи.

Известно, что при создании этого топливного элемента ученые использовали нанокомпозитные мембраны, а также технологию промышленной струйной печати для нанесения компонентов электронных схем на гибкую подложку.

В перспективе разработчики SAIT планируют усовершенствовать конструкцию топливного элемента, увеличив время автономной работы медиаплеера до 10 часов. Внедрение данного решения в серийно выпускаемые устройства может начаться в 2007-м или в 2008 году.

ASUS будет выпускать ноутбуки Lamborghini

Наверное, многие читатели уже видели ноутбуки Acer, оформленные в фирменном стиле автомобилей Ferrari. Видимо, данный опыт оказался удачным, и теперь производители роскошных автомобилей расширяют свое «присутствие» на рынке мобильных ПК.

Недавно стало известно о том, что компания ASUS планирует выпустить в нынешнем году серию ноутбуков Lamborghini VX1. Компьютеры этой серии будут построены на базе мобильной платформы Intel Centrino Duo.

Что касается внешнего оформления, то покупатели смогут выбирать из двух вариантов — «фирменного» желтого и более строгого черного.

Новые ЖК-панели EPSON для мультимедиапроекторов

В феврале компания Seiko EPSON объявила о начале выпуска новой серии высокотемпературных ЖК-панелей на основе поликристаллического кремния (HTPS).

Данные компоненты предназначены для создания мультимедиапроекторов, построенных на базе технологии 3LCD.

Согласно обнародованной информации, при производстве этих ЖК-панелей, имеющих разрешение 2048×1080 пикселов, будет использован новый технологический процесс D4.

Kodak прекращает сотрудничество с Sanyo

Компания Eastman Kodak отказалась от продолжения программы сотрудничества с Sanyo в рамках совместного предприятия SK Display, основанного в 2001 году для производства OLED-дисплеев. В настоящее время Kodak планирует сосредоточить свои силы на разработке технологий и заняться поиском новых партнеров для организации производства OLED-дисплеев.

В Philips создана полностью пластиковая метка RFID

Инженерам Philips Research удалось создать работающий прототип радиочастотной идентификационной метки (RFID), полностью изготовленной из полимерных материалов.

Благодаря отсутствию кремниевой подложки такую метку можно изготавливать на пластиковой основе без использования сложных технологических процессов (в частности, литографии).

Расчеты показывают, что переход к производству меток RFID из полимерных материалов позволит значительно снизить их себестоимость.

Seagate представила однодюймовый винчестер емкостью 12 Гбайт

В последнее время производители жестких дисков все больше внимания уделяют сегменту миниатюрных накопителей. Недавно компания Seagate представила новую серию однодюймовых винчестеров ST1.3, в которых используется технология перпендикулярной магнитной записи (PMR).

Размеры корпуса этого накопителя составляют 40x30x5 мм, а емкость — 12 Гбайт. Миниатюрный жесткий диск снабжен специальным датчиком, срабатывающим при движении с большим ускорением.

Этот датчик позволяет осуществить аварийную парковку головок накопителя, чтобы не допустить повреждения поверхности магнитных пластин при падении устройства.

По мнению разработчиков, жесткие диски серии ST1.3 будут применяться в портативных медиаплеерах, мобильных телефонах и карманных ПК. Начало поставок этих накопителей намечено на III квартал текущего года.

Digismart: проектор в мобильном телефоне

Как известно, тенденция к миниатюризации портативных устройств препятствует использованию в них экранов большого размера. Вместе с тем возможности карманных электронных помощников год от года растут, становится все больше приложений, для комфортного использования которых необходим достаточно большой экран.

Свой вариант решения этой проблемы предложили разработчики компании Digislide. Созданная ими технология Digismart позволяет оснащать малогабаритные цифровые приборы (КПК, мобильные телефоны, портативные игровые консоли и т.д) миниатюрным встроенным проекционным устройством.

Технические детали проекта пока не разглашаются, но уже известно, что встроенные проекторы, созданные на базе технологии Digismart, позволят получать изображение размером до 11Ѕ17 дюймов (279,4×431,8 мм), что примерно соответствует листу формата А3 или экрану 20-дюймового монитора.

Разработчики Toshiba и NEC совершенствуют магнитную память

Специалисты компаний Toshiba и NEC продолжают совместную работу по созданию компактных модулей памяти, в которых используется принцип магнитной записи.

До недавнего времени одной из наиболее серьезных проблем устройств на базе магнитной памяти, не позволяющей им на равных конкурировать с модулями DRAM, оставалась относительно низкая скорость работы.

В начале текущего года ученые Toshiba и NEC представили свою новую разработку — модули магнитной памяти MRAM, работающие от напряжения 1,8 В и обеспечивающие максимальную скорость чтения и записи до 200 Мбит/с.

Стоит отметить, что память типа MRAM имеет важное преимущество перед широко используемыми DRAM и SRAM, поскольку, в отличие от последних, является энергонезависимой. В то же время на нынешнем этапе развития технология MRAM пока не позволяет создавать компактные модули памяти высокой емкости.

Батарея будущего — ультраконденсатор на нанотрубках

Ученые из лаборатории электромагнитных и электронных систем (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems, LEES) Массачусетсского технологического института ведут работы по созданию аккумулятора будущего. Для хранения электрической энергии разработчики предлагают использовать ультраконденсатор, созданный на базе нанотрубок.

Стоит отметить, что ультраконденсаторы используются достаточно широко уже на протяжении нескольких десятилетий.

Основными недостатками подобных устройств, существенно ограничивавшими сферу их применения, были большие габариты (примерно в 25 раз больше по сравнению с литий-ионным аккумулятором аналогичной емкости) и очень высокая стоимость.

Наряду с этим ультраконденсаторы имеют немало преимуществ по сравнению с другими типами аккумуляторов, в том числе длительный срок службы (до 10 лет и более), высокую стойкость к неблагоприятным внешним воздействиям (низким температурам, ударам и вибрациям), а также способность работать с нагрузкой большой мощности.

Предложенная разработчиками LEES конструкция ультраконденсатора на базе нанотрубок позволяет решить проблему больших габаритов.

Роль электродов в этом устройстве выполняют углеродные нанотрубки, диаметр которых примерно в 30 тыс. раз меньше человеческого волоса.

Поскольку емкость ультраконденсатора напрямую зависит от площади поверхности электродов, использование нанотрубок позволяет значительно уменьшить габариты элемента без потери энергоемкости.

КомпьютерПресс 3'2006

Источник: https://compress.ru/article.aspx?id=15545

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы » что это такое, их устройство и принцип действия

Тема: что такое суперконденсаторы, ионисторы и ультраконденсаторы

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) — это электрические устройства в которых накапливается заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред – электролитом и электродами.

Вся энергия в данных устройствах имеется в виде статического электрозаряда. Накопление электроэнергии происходит за счёт приложения постоянного напряжения на его внешние выводы.

Проще говоря — это простые конденсаторы, которые в отличие от обычных, имеют очень большую емкость (исчисляемую в фарадах).

Как Мы с Вами знаем, обычные конденсаторы имеют внутри обкладки из фольги, что разделены диэлектриком.

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), это уже своеобразное объединение работы емкости с электрохимической батареей. В ионисторе используется специальный электролит и обкладки.

В основном увеличение общей ёмкости ионистора происходит за счёт использования материалов имеющих очень большую собственную поверхностную площадь.

У ионистора обкладки бывают следующих типов: на основе активированного угля, проводящих полимеров и оксидов металлов. Применение сверхпористых угольных материалов даёт возможность получить общую плотность емкости в пределах 10 Фарад/см3 и даже больше.

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) на основе актив. угля получаются более экономичными при своём изготовлении.

Их также называют ещё DLC-конденсаторами либо двухслойными, так как электрический заряд накапливается в двойном слое, что образуется на поверхности самой обкладки ионистора.

Что касается электролита ионисторов, он может быть водным или органическим.

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), что содержат водный электролит, обладают довольно малым внутренним сопротивлением, но, есть также и значительный минус водного электролита, напряжение заряда для них ограничено до 1 Вольта. Ионисторы на органическом электролите обладает наиболее большим сопротивлением, зато они способены к работе с напряжением заряда 2-3 В.

Поскольку для питания электронных схем используется обычно более высокие напряжения, чем у ионистора, то для получения нужного значения их соединяют последовательно. Как Мы знаем, что величина обычных емкостей конденсаторов измеряется в приделах от пикофарад до микрофарад.

Емкость ионисторов (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) измеряется уже в фарадах (в одном фараде миллион микрофарад). В ионисторах возможно достичь плотности мощности на массу рабочего вещества от 1 до 10 Вт/кг.

Это больше, чем у обычных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.

К основным недостаткам ионистора (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) можно отнести его постоянное линейное снижение напряжения в течение всего времени его работы до полного разряда (за один цикл заряда и разряда). Из-за этого ионисторы не способны удерживать полный заряд. Общая степень его заряда исчисляется в процентах и будет зависеть, в первую очередь, от того, какое напряжение к нему изначально будет приложено.

Если ионистор заряжен до напряжения 8 вольт, а схема нормально может работать с минимальным напряжением 4 вольта, то получается, что используемый заряд составляет всего 50%.

Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно бесполезной.

Читайте также:  Блокиратор автосигнализаций

Для увеличения степени использования накопленной энергии в ионисторе применяют различные виды преобразователей, но и этот путь неидеален, поскольку ведёт к удорожанию всей системы на 10-15%. Плюс, значительно снижается КПД.

Применение ионисторам нашлось в электропитании микросхем памяти, использование в цепях фильтрации.

Они также хорошо работают в паре с батареями с целью защиты их от внезапных перепадов электрического тока нагрузки: при малых токах электрической нагрузки батарея работает на подзарядку ионистора, а как только произойдёт скачёк тока, ионистор выдаст накопленную электроэнергию, в итоге значительно снижается общая нагрузка на батарею.

Перечень преимуществ ионисторов:

  • малое внутреннее сопротивление
  • большой срок службы
  • нет ограничений по количеству циклов заряд/разряд
  • относительно малая стоимость
  • довольно широкий диапазон рабочих температур: от -25 до +70 °С
  • быстрый процесс заряда и разряда
  • работа при любом напряжении, что не превышает номинального
  • использование простых способов заряда
  • отсутствие контроля за режимом заряда

Перечень недостатков ионисторов:

  • довольно малая энергетическая плотность
  • не может обеспечить достаточного накопления электроэнергии
  • весьма низкое напряжение на одной единицы элемента
  • высокая степень саморазряда

P.S. Данная разновидность электрических устройств находится между классом источников электропитания и элементов электрических схем, так как с одной стороны он ближайший родственник обычным конденсаторам, а с другой, обладает свойствами электроисточника.

Источник: https://electrohobby.ru/ionistr-superkond-ultrakon-ch.html

Клуб «Сумма технологий» обсудил перспективы применения углеродных наноструктур

27 января в РОСНАНО в рамках мероприятий Экспертного клуба «Сумма технологий» состоялся семинар «Углеродные наноструктуры через 30 лет после открытия фуллеренов».

В ходе семинара обсуждались результаты и возможности применения разных видов углеродных наноструктур (фуллеренов, нанотрубок, нанопористого углерода, графена и оксида графена, наноалмазов детонационного синтеза), в обсуждении участвовали представители УК «РОСНАНО» и специализирующиеся на углеродных наноструктурах ученые из нескольких российских вузов.

К 2023 году доходы, полученные от производства углеродных нанотрубок, составят $3–4 млрд, при этом полимерные композиции на их основе будут занимать наибольшую долю рынка, уверен заведующий лабораторией «Физики кластерных структур» Физико-технического института им. А. Ф.

 Иоффе РАН, профессор Санкт-Петербургского Государственного технологического института (Технического университета) Александр Вуль. В композиционных полимерных материалах с углеродными нанотрубками улучшается ряд свойств.

В частности, увеличивается прочность на разрыв при сохранении эластичности и общей механической прочности. Это позволяет в ряде случаев заменить нанокомпозитными полимерами изделия из стали и стекла.

Среди мировых лидеров по производству углеродных нанотрубок — новосибирское ООО «ОКСИАЛ», портфельная компания РОСНАНО.

В настоящее время приоритетными для России являются направления нанопористого углерода, детонационных алмазов и одностенных углеродных нанотрубок, считает профессор Вуль. За последние годы промышленная технология их синтеза существенно продвинулась вперед.

При этом Александр Вуль отмечает, что само по себе производство углеродных наноструктур является низкомаржинальным, необходимо инвестировать также в следующие, более прибыльные переделы.

К примеру, нанотрубки начали применять в таких сегментах как «умный текстиль», добавляя их в тканевые волокна, в итоге текстиль может получать заданные свойства — повышенную прочность, способность самостоятельно очищаться и поддерживать комфортную для его носителя температуру. Александр Вуль также отметил высокий потенциал использования углеродных нанотрубок в элементах электроники и оптоэлектроники, в разработках по созданию квантовых компьютеров. В электронике углеродные наноструктуры могут быть использованы для производства теплоотводов для интегральных схем, полевых эмиттеров, высокочастотных транзисторов, сенсоров.

Интересным направлением Александр Вуль считает производство фуллерен-полимерных композитов, в том числе в области генерации и накопления энергии.

К примеру, в фотовольтаике применение фуллерен-полимерных композитов выгодно при производстве различных гибких элементов — КПД у таких солнечных элементов не самый высокий, до 10%, но при этом стоимость существенно ниже кремниевых.

Использование углеродных наноструктур также будет развиваться в производстве накопителей с различными механизмами накопления энергии (конденсаторы, суперконденсаторы, аккумуляторы).

В качестве материала электрода могут быть выбраны различные углеродные наноструктуры (нанопористый углерод, нанотрубки, графен). Прорыв может состояться, если удастся добиться стабильного хранения водорода в нанотрубках (водород проникает через любые обычные баллоны).

Принявший участие в семинаре Председатель Правления УК «РОСНАНО» Анатолий Чубайс отметил, что в решении проблемы хранения водорода, на его взгляд, уже пройдены и технологический и экономический барьеры, в конце прошлого года концерн Toyota представил автомобиль на водородных топливных элементах.

По словам руководителя РОСНАНО, компания инвестирует в производство углеродных наноструктур, а также соответствующих материалов, концентрируясь на продуктах с высокой электропроводностью, например, на замещении технического углерода.

В ближайшем будущем будет сделан упор на модификацию традиционных материалов и повышение их прочности, и в этом направлении ожидается взрывного роста рынков.

Таблица: Оценка мирового рынка углеродных нанотрубок 2012–2022 (тонн).
(По данным Grand View Research, Inc., США). Прогноз рынка $3,42 млрд к 2022 году.

Источник: http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/20170130-rosnano-klub-summa-tekhnologiy-obsudil-perspektivy-primeneniya-uglerodnykh-nanostruktur

Суперконденсаторы, графен и техно-бум в Китае

Andrey Maklakov
философ, писатель, журналист

Несмотря на популярное мнение, что западные СМИ – это пример демократичности, объективности и всеохватности, целые пласты нашей действительности они предпочитают не затрагивать. Один из них – научный и технологический бум в Китае, в частности, в сфере материалов и электроники.

Несмотря на весь шум, связанный с электромобилями Тесла, и планами Элона Маска по созданию заводов, производящих батареи для домохозяйств, всего за пару лет Китай успешно обошел американцев, да и все другие страны, заняв лидирующие мировые позиции по производству суперконденсаторов – а это фактически «закрывающая» технология.

Так, по данным недавнего отчета консалтинговой фирмы «IndustryARC», занимающейся маркетинговыми исследованиями, рынок суперконденсаторов достигнет к 2020 году объема в 4 миллиарда долларов. При этом в период 2015-2020 он будет иметь среднегодовой темп роста около 35,4%. В основном рост ожидается в бытовой электронике и в автомобильной индустрии.

Напомню, что суперконденсаторы, это устройства накопления энергии, имеющие существенные преимущества перед традиционными батареями – они гораздо быстрее заряжаются, компактнее и легче. Кто может стать потребителем этих, пока еще непривычных для нас устройств? Сфера их применения очень широка.

Но прежде всего, выиграют производители бытовой электроники: фотоаппаратов, мобильных телефонов, камер; медицинской техники – дефибрилляторов; в сфере энергетики – для накопления энергии ветровых турбин; на транспорте – вместо прежних громоздких аккумуляторов для автобусов.

Они могут применяться для защиты электрических автомобильных батарей, могут также накапливать энергию, вырабатываемую при торможении автомобиля.

рост рынка суперконденсаторов

Хотя на первом месте в обзоре специалистов «IndustryARC» стоит бытовая электроника, они отмечают и значение транспортной отрасли.

Открывается возможность перевести общественный транспорт на электрическую тягу: вместо громоздких, взрывоопасных и содержащих кислоты батарей – небольшие твердотельные конденсаторы, заряжающиеся за считанные минуты.

В Китае уже запущены электроавтобусы, способные подзаряжаться во время коротких остановок.

Кто получит наибольшие выгоды от этого нового тренда? Конечно, это китайские производители. Они уже заняли добрую половину рынка. В списке лидирующих производителей числятся «Tecate Group Vinatech», «Maxwell Technologies», «Bombardier Inc», и более известная нам корпорация «Panasonic».

В свою очередь, производство быстро заряжающихся, компактных и дешевых (по сравнению с привычными литий-ионными батареями) суперконденсаторов, может стимулировать и рост рынка электромобилей, производство которых через пять лет ожидается на уровне 6 миллионов штук в год. Наиболее перспективные регионы для инвесторов сегодня это Китай, Япония и Северная Америка.

Что интересно, это связь роста рынка суперконденсаторов с ростом числа патентов в области графена (напомню, что этот необычный материал был открыт в 2004 году уроженцами России Андре Геймом и Константином Новоселовым).

Так, в недавнем отчете «Graphene – The worldwide patent landscape in 2015» британского агентства по интеллектуальной собственности, число патентов, начиная с 2004 года, росло в геометрической прогрессии, и достигло в 2015 году 28 тысяч! И это еще неполные данные за этот год.

Только в 2014 году патентов, касавшихся использования и производства графена было зарегистрировано более 9 тысяч.

Стоит добавить, что копия исследования графеновой индустрии Китая «Global and Chinese Graphene Industry Report, 2015-2018», подготовленного аналитическим центром «Research and Markets», базирующимся в Дублине (117 страниц, вышел 20 ноября), продается за… 2400 долларов (!)

На первом месте среди аппликантов оказалась корейская корпорация «Самсунг». Европейские страны и США остались далеко позади конкурентов из Азии.

При этом доля Китая в исследованиях графена постоянно растет, и учитывая полуторагодичный временной лаг в их регистрации, то разумно предположить, делает вывод агентство, что на самом деле доля Китая составляет порядка 80%! Надо отметить и то, что Китай добился таких значительных успехов всего за пару лет, поскольку до 2010 года графеновыми технологиями там практически не занимались, что говорит о большом внимании, которое власти Поднебесной уделяют перспективным научно-прикладным исследованиям.

Суперконденсаторы – отнюдь не единственная сфера применения нового материалы.

Графен может найти применение и в военной отрасли, учитывая то, что китайцы уже научились создавать крупные листы совершенно чистого графена, а он обладает уникальными механическими свойствами, позволяя создать материалы в сотни раз прочнее стали и дешевые сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. В начале этого года уже поступили сообщения, что в Китае создан новый пеноматериал на основе графена, обладающий исключительной легкостью и прочностью, который предполагается использовать для армирования брони.

Графеновый и суперконденсаторный «хайп», при всем его значении, не должен скрывать от нас главное – утрату Старым и Новым светом былых позиций в научной и технологической сфере.

В своем предыдущем материале я уже писал о тяжелом кризисе в фундаментальных исследованиях на Западе.

Читайте также:  Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

Отставание Запада еще и в прикладных исследованиях, водородной энергетике (в которой больших успехов добилась Япония), в космических технологиях (на фоне бурного развития этой отрасли в Китае), а теперь еще и в сфере графеновых технологий (где лидерство захватил Китай и Южная Корея), позволяет сделать вывод, что некоторое снижение темпов экономического роста в Поднебесной на фоне научно-технологического бума – это лишь временное затишье перед новым рывком.

Андрей Маклаков

Источник: http://congeniator.com/superkondensatory-grafen/

Русская технология: графеновые нанотрубки

К тому же в мире не существует производства таких трубок, их получают лабораторным путем, и цена зашкаливает за $150 000 за килограмм. Этот разговор состоялся в 2009 году, а в феврале 2010-го Юрий Коропачинский вместе с Олегом Кирилловым, Юрием Зельвенским и Михаилом Предтеченским создали компанию OCSiAl. Все остальные проекты в сфере высоких технологий было решено закрыть.

Плазменный реактор

Через месяц Предтеченский в эксперименте получил первые нанотрубки. Их было ничтожное количество, несколько черных точек на белоснежном фильтре. Но электронный микроскоп показывал, что это те самые одностенные углеродные нанотрубки. И получил их Михаил Предтеченский на своем плазменном генераторе, еще одном из его фундаментальных изобретений.

Дело в том, что плазменные генераторы — плазмотроны — используются во многих областях. Предтеченский столкнулся с ними, когда работал над проектом с Air Products. Мощные плазмотроны не могли долго работать даже в инертном газе — сгорали электроды.

Десятилетиями ученые и технологи пытались создать материал электродов, который бы «стоял», но ничего не получалось — время работы измерялось секундами. Когда Михаил рассказывает, все кажется простым: «Я подумал, а почему электроды должны быть твердыми? Сделаю я их жидкими. Две ванны с расплавом, а между ними пустим дугу.

Дуга загорается, плавит изначально твердый металл, и получаются две металлические лужицы, на которые и замыкается дуга. Жидкость же эрозии не подвержена. Я сделал такую машину, которая может работать вечно, в любой среде, с любой мощностью».

Обычные плазмотроны работают на инертном газе, потому что эрозия электродов пропорциональна химической активности и температуре. Например, на водяном паре они разрушаются мгновенно. А в плазмотрон Предтеченского можно хоть хлор вводить — по сути это плазмохимический реактор.

Многие металлургические и химические процессы можно изменить принципиально. Михаил долго пытался пристроить свое изобретение, встречался с олигархами, даже пытался сделать на нем реактор для уничтожения супертоксичных отходов. «Ключевым моментом была наша встреча с Юрием, — вспоминает он. — Он оказался тем самым человеком.

С одной стороны, представитель крупного бизнеса с деньгами, с другой — сын академика, с нашим классическим образованием. С ним быстро нашли общий язык. Как раз перед нашей встречей я был на выставке «Роснано» и внимательно посмотрел, что можно делать с нанотрубками. Я с момента их открытия следил за ними, но не знал, зачем они.

А когда увидел, как они пошли в материалах, понял, что за ними фантастическое будущее».

Десятилетиями учёные и технологи пытались создать материал электродов, который бы «стоял», но ничего не получалось — время работы измерялось секундами. «Я подумал, а почему электроды должны быть твёрдыми»

Графеновые нанотрубки

Если поискать в интернете, то выяснится, что углеродные нанотрубки в промышленном масштабе производят не только в Новосибирске. Разница в маленькой детали — в Академгородке делают одностенные нанотрубки, а во всем остальном мире — многостенные. И разница эта принципиальна.

«Многостенная трубка — это трубка, «свернутая» из графита, — популярно объясняет Юрий Коропачинский, — а одностенная — из графена. Если бы графен был открыт раньше, чем нанотрубки, они бы назывались графеновыми. Это разные материалы с совершенно разными свойствами.

Между ними такая же разница, как между алмазом и каменным углем, хотя и то и другое состоит из углерода. Многостенная нанотрубка — это маркетинговый обман. Вроде у нас очень похожий продукт, но чуть толще стенки. Корректно говорить — графеновые и графитовые. Мы делаем трубчатую модификацию графена, из одного атомного слоя. А они не делают.

Мало того, в некоторых режимах наш реактор синтезирует графен, но мы пока не видим рыночных ниш, в которых графен превосходит нанотрубки. Как только увидим, первыми в мире выпустим промышленную партию».

Однако промышленная партия графеновых нанотрубок в OCSiAl получилась нескоро. С 2009 по 2012 год в проект закачали $20 млн, построив 11 прототипов. И после этого Коропачинский взял фильтры с черными точками нанотрубок и полетел к главе «Роснано» Анатолию Чубайсу. Анатолий Борисович внимательно посмотрел на них и сказал одно слово: «Впечатляет».

Помолчав, добавил: «Хотите построить реактор? Сколько будете производить? Тонну в год? А вы знаете, что Bayer в прошлом месяце запустил реактор мощностью 500 т многостенных трубок в год?». Коропачинский ответил: «Знаю, и что? Закроется через три года». Рассказывая эту историю, здесь Юрий начинает смеяться: «И знаешь, месяц в месяц через три года Bayer закрыл свой реактор.

Потому что многостенные трубки нафиг никому не нужны».

Чубайс поверил наглым предпринимателям из Сибири, и «Роснано» вложил в проект $20 млн, стал первым внешним акционером компании. Говорят, это лучшая из инвестиций госкомпании.

На вопрос, зачем OCSiAl понадобилось «Роснано», если у инвесторов были собственные деньги (на сегодняшний момент в OCSiAl инвестировали более $150 млн), Коропачинский объясняет: масштаб проекта такой, что на определенном этапе все равно потребуются инвесторы.

Когда ты строишь компанию на свои деньги, получаешь семейную компанию. В семейную компанию не приходят инвесторы, в семейной компании по‑другому устроены управление, система принятия решений, требования к менеджменту.

Чтобы компания стала публичной — а мир захватывают только публичные компании, — ее надо строить с самого начала по‑другому. И с самого начала научиться учитывать мнение внешнего инвестора. «Роснано» в этом плане — идеальный вариант.

Graphеtron 1.0

На деньги «Роснано» и был построен первый промышленно-исследовательский реактор Graphetron 1.0 в новосибирском Академпарке — более удачном аналоге «Сколково».

В прошлом году реактор синтезировал 1250 кг одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) под торговым наименованием TuballTM. В 2016 году было четыре тонны, в этом году он должен произвести от семи до десяти тонн.

А через стенку полным ходом ведется строительство уже промышленного Graphetron 50, который рассчитан, как видно из названия, на 50 т в год. Много это или мало?

До запуска Graphetron 1.0 мировая цена SWCNT была $150 000 за килограмм. «Ничего себе, тонну покупают за $150 млн! А мы можем продавать в сто раз дешевле. Это же какая очередь выстроится у входа! — потирает руки Коропачинский. — Но я думаю, что все агентства ошибались и ошибаются.

Я думаю, что коммерческих продаж до нашего появления не было нигде и никогда. Шли небольшие партии для исследовательских целей. Покупали, как кокаин, граммами». Например, NASA пыталась применить этот материал для спутников, но не смогла запустить проект, потому что не нашла поставщика на 100 кг в год.

Его просто не было в природе.

Еще несколько лет назад мировой рынок одностенных нанотрубок потенциально оценивался в 10 т в год, но с каждым годом оценка существенно возрастает.

Если еще два года назад OCSiAl оценивала его в 145 000 т, то сейчас — более чем в 500 000. «Я вижу потенциал роста компании за десять лет в тысячу раз, — говоря эту фразу, Юрий делается серьезным.

— На сегодняшний момент мы единственные производители в мире».

По мере производства стремительно расширяются и области применения графеновых нанотрубок. В самом начале OCSiAl рассчитывал на рынок литий-ионных батарей, углепластиковые композиты и шинную промышленность — логично идти в те области, где ранее применялись другие формы углерода.

То, что можно сделать из аморфного углерода, из нанотрубок получится в сотни раз лучше. Например, добавление в электроды литиевых аккумуляторов порядка 0,01% одностенных нанотрубок увеличивает их емкость на 20%. Но новые области применения появляются прямо на глазах.

Совсем недавно профессор Орбах из израильского университета Бар-Илана спас почти целую отрасль — рынок кислотно-свинцовых аккумуляторов объемом более $38 млрд в год.

Дело в том, что в ближайшее время все производители автомобилей будут вынуждены устанавливать в машины системы «старт-стоп», которые в разы повышают требования к количеству циклов заряда-разряда — от нынешних 300 у существующих аккумуляторов до 800.

Сейчас это возможно только при помощи литиевой технологии. Так вот, Орбах разработал технологию добавления одностенных нанотрубок, которая увеличивает количество этих циклов у свинцовых аккумуляторов от 600 до 900. И подобных примеров сотни.

Ещё несколько лет назад мировой рынок одностенных нанотрубок потенциально оценивался в 10 тонн в год, но с каждым годом это число возрастает на порядки. Если два года назад по данным OCSIAL это было 145 000 тонн, то сейчас — более чем 500 000. «Я вижу потенциал роста компании за десять лет в тысячу раз».

В этом году OCSiAl провела переговоры с 2500 потенциальными клиентами — по 10 встреч в день. Сейчас офисы компании работают в Люксембурге, Тель-Авиве, Сеуле, Мумбае, Гонконге, Шэньчжэне, Огайо, есть представители в Малайзии, Германии, Великобритании, Австралии и Японии.

В ближайшие годы компания собирается строить свои реакторы на всех континентах и во всех развитых странах. Мало того, они имели эту возможность с самого начала.

Тогда почему современное производство находится в Академгородке? «Потому что тут Предтеченский, — улыбается Коропачинский, — и потому, что пока у нас работает исследовательский реактор. На «Графeтроне» мы проводим фундаментальные физические исследования, и у нас работают академик, профессора, доктора и кандидаты наук.

Академгородок — идеальное место для таких исследований. Почему мы синтезировали в этом году 4 т трубок, а не 7? Потому что половину времени реактор работал в исследовательском режиме. Это мощная научная установка. Ну и как побочный эффект, она синтезирует 98% трубок в мире».

Источник: https://www.PopMech.ru/science/317022-russkaya-tekhnologiya-grafenovye-nanotrubki/

Суперконденсатор: композит из графена и углеродных нанотрубок

Схематическое изображение и СТМ-скан материала, состоящего из графена и углеродных нанотрубок.

Группа ученых из США предложила конструкцию нового суперконденсатора микроскопических размеров, электрохимические свойства которого могут быть полезны в создании портативных электронных устройств и инструментов для преобразования энергии из возобновляемых источников.

Их суперконденсаторы состоят из листов графена и углеродных нанотрубок. Как показывают эксперименты, такие устройства позволяют запасти в два раза больше энергии на единицу объема, чем традиционные алюминиевые конденсаторы.

Конденсаторы – это устройства, позволяющие накапливать и сохранять электрический заряд. Суперконденсаторы, также известные как двухслойные или электрохимические конденсаторы, могут сохранять гораздо больше энергии за счет формирования двойного слоя при подаче внешнего напряжения на границе электрода и электролита.

Поскольку со временем спрос на портативные электронные устройства только увеличивается, исследователи обращают все больше внимания на микроконденсаторы для хранения энергии.

Хотя с точки зрения потенциального применения в этих устройствах было изучено много различных материалов (включая производные графена), ни один из них не является совместимым с задачей линейной фильтрации переменного напряжения с частотой 120 Гц. Стоит отметить, что линейная фильтрация позволяет сглаживать так называемые остатки пульсации напряжения.

Читайте также:  Простой usb программатор pic

Такая фильтрация особенно важна при использовании энергии из возобновляемых источников, к примеру, при питании устройства от турбины ГЭС или с помощью ветра, поскольку здесь частоты могут варьироваться, в зависимости от скорости потока воды или воздуха.

Из-за несовместимости предлагавшихся ранее разработок с отфильтрованным напряжением, в таких приложениях на сегодняшний день чаще всего используются алюминиевые электролитические конденсаторы, недостатком которых является низкая плотность запасаемой энергии. Суперконденсаторы могли бы найти в этой сфере широчайшее применение. Но с их использованием связана одна существенная проблема.

Эффективность фильтрации напряжения обычно характеризуется таким параметром, как фазовый угол электрического сопротивления на частоте 120 Гц. И фазовый угол суперконденсаторов, создававшихся до сих пор в коммерческих масштабах, на частоте 120 Гц близок к 0 градусов. Однако группа ученых из Rice University (США) предложила конструкцию суперконденсатора, не обладающую этим недостатком.

Согласно проведенным ими экспериментам, суперконденсаторы, сформированные из листов графена (двумерного материала из углерода, атомы которого образуют гексагональную кристаллическую решетку) и углеродных нанотрубок, демонстрируют фазовый угол более –81,5 градусов при частоте в 120 Гц, что соизмеримо с параметрами используемых сейчас алюминиевых электролитических конденсаторов.

Как утверждают сами ученые, столь высокий фазовый угол возможен благодаря фактически бесшовному соединению графена и нанотрубок.

Как показывают расчеты, новое устройство имеет емкость до 2,16 мкФ на квадратный сантиметр в водном электролите и до 3,93 мкФ на квадратный сантиметр в ионных, таким образом, его параметры сравнимы с характеристиками современных коммерческих суперконденсаторов.

При этом скорость разряда новых конденсаторов составляет 400 В/с, что в сотни раз превышает скорость разряда, наблюдаемую в большинстве суперконденсаторов. Упомянутые выше характеристики, по мнению ученых, означают, что такие гибридные устройства могут стать в будущем идеальными дискретными источниками энергии для применения в портативной электронике. Поскольку предложенный в качестве структурного элемента этого устройства трехмерный материал обладает очень высокой электропроводностью и сравнительно большой площадью поверхности, в ближайшем будущем ученые планируют оценить возможность его использования в других вариантах суперконденсаторов, в частности, в передовых литий-ионных батареях. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.

Источник

Источник: http://scientifically.info/news/2013-01-31-2180

«Noos-Inform»

Уникальные свойства графена позволяют рассматривать его как революционный материал, который обеспечит дальнейшее развитие нескольких не связанных между собой, на первый взгляд, технологий.

Теоретически существование графена предсказано еще в 20-х годах прошлого века, и его исследование на бумаге началось задолго до получения первых опытных образцов (2004 год).

В принципе, практическое подтверждение существования материала могло быть и до того, как ученые получили к нему доступ в лабораториях.

Дело в том, что в 2011 году специалисты из Национальной радиоастрономической обсерватории сообщили о том, что им удалось зарегистрировать графен в открытом космосе (в туманности Магелланово облако). Правда, изучение свойств инновационного материала на таком расстоянии несколько затруднительно.

Структура графена очень проста: атомы углерода формируют ячейки в виде сот, а толщина материала составляет всего один атом. Расстояние между двумя ближайшими частицами равняется 0,142 нм.

Материал обладает очень высокой прочностью, в 100 раз превышающей прочность стали.

Уникальным графен делает и высокая скорость перемещения зарядов (электронов), которые передвигаются в этом материале быстрее, чем в любом другом известном веществе.

Поскольку графен открыт всего 7 лет назад, способы его получения в промышленных масштабах изучены пока недостаточно.

Несколько наиболее распространенных методик являются либо неавтоматизированными, либо не дают возможности получать графен в больших количествах.

Изу-ченные способы получения углеродной подложки также могут создавать дефекты, и вместо сот, состоящих из 6 атомов, возможно появление пяти — или семиугольных ячеек, что приводит к искривлению двухмерной структуры и появлению искажений.

Тем не менее предполагается, что в ближайшее время (в период от нескольких лет до нескольких десятков лет) графен сможет заменить кремний в микросхемах, будет использоваться в батареях нового поколения, а также позволит значительно ускорить передачу данных по Интернету.

Батареи

На базе графена можно строить так называемые ультраконденсаторы (ионисторы), которые отличаются от обычных меньшим расстоянием между обкладками и, как следствие, большей емкостью при тех же размерах.

По сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами у таких источников питания есть свои недостатки (например меньшая удельная энергия), однако часть этих недочетов можно исправить, сохранив преимущества новой технологии.

Среди последних — высокая скорость заряда (порой на уровне нескольких секунд), незначительное изменение характеристик аккумулятора даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда, небольшой вес по сравнению с обычными конденсаторами, низкая токсичность, высокий КПД (более 95%).

Еще недавно низкая энергоемкость ультраконденсаторов делала их малопривлекательными в качестве замены обычным батареям, однако новые опытные образцы ионисторов уже имеют удельную энергоемкость, сопоставимую со свинцово-кислотными аккумуляторами (32 Вт·ч/кг против 30-40 Вт·ч/кг). Также на основе графена возможно создание не только твердых, но и гибких батарей, что открывает перед новой технологией еще больше возможностей.

Солнечная энергия

Графен достаточно плохо поглощает свет (лишь около 2% падающих на него фотонов) и таким образом является практически прозрачным для этого диапазона электромагнитных волн.

Однако если расположить на его поверхности золотые и титановые пластинки размером в несколько нанометров, то степень поглощения света увеличивается в десятки раз, и пойманные фотоны могут быть легко преобразованы в электрическую энергию.

При расположении полосок материала длиной 300 нм примерно в 100 нм друг от друга коэффициент поглощения света увеличивается с 0,02-0,03 до 0,6.

В лабораторных исследованиях панели на базе графена уже позволяют вырабатывать приблизительно в 3,5 раза больший ток, чем современные панели на основе кремния. Поскольку из графена можно создавать гибкие подложки, то будущие солнечные панели также можно будет делать гибкими.

Передача информации

Повышение коэффициента поглощения света позволяет улучшить не только солнечные панели. Использование тех же пластин из титана и золота приводит к значительному увеличению скорости передачи данных по оптоволоконным каналам. На текущий момент речь идет о возможности «разгона» сетей в десятки раз, а в перспективе эта цифра может быть увеличена еще на порядок.

Микрочипы

Важнейший элемент любой микросхемы — транзистор, однако использовать графен для создания классического транзистора нельзя из-за отсутствия запрещенной зоны и больших токов утечки. Это приводит к тому, что различать два состояния полупроводникового элемента (открытое и закрытое) невозможно.

Чтобы воспроизводить запрещенную зону в рабочем диапазоне температур, приходится использовать некоторые ухищрения. Например, применяют узкие полоски графена (наноленты), где благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещенной зоны.

Такой транзистор, по сравнению со своим классическим кремниевым аналогом, имеет гораздо более высокую частоту переключения (до двух порядков), что в перспективе позволит создавать процессоры с гораздо большей производительностью.

Помимо этого, при создании микрочипов обнаружено еще одно полезное свойство графена, повышающее его привлекательность по сравнению с кремнием. Выяснилось, что графеновые транзисторы обладают эффектом самоохлаждения, и процесс переноса тепла происходит в них быстрее, чем в классических аппаратах.

В перспективе это не только позволит создавать более быстрые, компактные и экономичные компьютерные чипы, но и избавит их от систем охлаждения либо даст возможность сильно упростить их конструкцию и уменьшить размеры. При контакте графенового транзистора с металлическим контактом наблюдается еще один интересный эффект.

Термоэлектрическое охлаждение начинает превышать эффект резистивного нагрева. Другими словами, температура транзистора при работе понижается, а не повышается.

Накопители

Компания Samsung уже объявила о дополнительном исследовании свойств графена и работе над новым поколением устройств хранения данных.

Графен позволяет и дальше миниатюризировать чипы, следовательно, в одном и том же объеме можно будет размещать больше ячеек памяти.

По словам исследователей, новый материал дает возможность увеличить емкость флеш-памяти, как минимум, вдвое. Кроме этого, позволяет снизить энергопотребление и повысить скорость передачи файлов.

Обнаружение химических соединений

Еще одной областью применения графена может стать обнаружение молекул химических веществ. Сенсор размером 1 мкм2 в проведенных экспериментах использовался для обнаружения молекул NH3, CO, H2O, NO2, прикрепленных к графену. Разные молекулы могут выступать в качестве как доноров, так и акцепторов, что изменяет сопротивление графена и позволяет идентифицировать вещество.

И прочие технологии

Известны и некоторые другие сферы применения графена. Его использование позволяет создавать сверхгладкие поверхности, которые можно применять там, где требуется наименьшее сопротивление при контакте материала с внешней средой (например в космических аппаратах или обычных кораблях).

Возможно использование графена и для создания нанотрубок. Для этого двухмерный слой графена попросту заворачивают в цилиндр. В зависимости от схемы сворачивания графитовой плоскости нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

Перспективность нового материала практически не вызывает сомнений в научных кругах. Недаром в прошлом году Нобелевская премия по физике была присуждена именно за исследования свойств этого материала.

Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов чаще всего упоминаются в новостях, связанных с открытиями новых свойств графена, поскольку продолжают активно проводить эксперименты с материалом.

В частности, совсем недавнее известие об ускорении Интернета в сотни раз также связано с их исследованиями.

Источник: http://noos.com.ua/ru/post/1718

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector