گرافن، ماده شگفت‌انگیز، انقلابی بزرگ در گوشی‌های هوشمند

گرافن یک لایه از اتم‌های کربن است که به‌صورت الگویی از شبکه لانه زنبور به‌ یکدیگر متصل هستند. محبوبیت بسیار زیاد گرافن که از آن با نام «ماده شگفت‌آور» یاد می‌شود، به‌دلیل ویژگی‌های اعجاب‌آور بی‌شمار آن است. این ماده یک رسانای قدرتمند انرژی الکتریکی و گرمایی، فوق‌العاده سبک با نیروهای شیمیایی و کاملاً انعطاف‌پذیر با سطح بسیار بزرگ است. از طرف دیگر، گرافن یک ماده پایدار و سازگار با محیط ‌زیست است و توانایی‌های نامحدودی برای کاربردهای فراوان دارد. (شکل 1)

شکل 1

مواد الکترود باتری‌های مرسوم وقتی با گرافن ترکیب ‌شوند به‌شدت بهینه می‌شوند. گرافن باعث تولید باتری‌هایی می‌شود که سبک و مقاوم و برای ذخایر انرژی با ظرفیت بالا مناسب هستند. همچنین، گرافن باعث کاهش زمان شارژ می‌شود. همان‌ طور که می‌دانید پوششی از کربن روی این مواد قرار می‌گیرد یا به ‌الکترودها اضافه می‌شود تا قابلیت رسانایی آن‌ها افزایش پیدا کند، اما این لایه کربن باعث کاهش طول عمر باتری می‌شود. استفاده از گرافن در باتری باعث می‌شود تا دیگر نیازی به کربن نباشد و به ‌این ترتیب، رسانایی باتری بیشتر می‌شود و از طرف دیگر، طول عمر باتری هم افزایش پیدا می‌کند.

مطلب پیشنهادی

ابرخازن‌هایی که فعلا در حد ایده مفهومی هستند

باتری‌های جدید با چند ثانیه شارژ تا چندین روز دوام می‌آورند

گرافن به ‌شیوه‌های مختلفی مانند تراکم و شکل انرژی باعث بهینه‌سازی باتری‌ها می‌شود. باتری‌های لیتیوم-یون با معرفی گرافن به ‌آنود باتری، افزایش رسانایی و رسیدن به ‌نقطه مورفولوژیکی باعث بهینه‌سازی باتری می‌شوند.
علاوه بر این، یکی از یافته‌های جدید نشان می‌دهد که ساخت و تولید مواد هیبریدی برای تقویت باتری‌ها تأثیر بسزایی دارد. به ‌عنوان مثال، ترکیب گرافن و اکسید وانادیوم می‌تواند برای کاتدهای Li-ion استفاده شود تا شارژ و دشارژ باتری سریع‌تر انجام شود و از طرف دیگر مقاومت آن در برابر چرخه‌های شارژ بیشتر شود. در این مثال، اکسید وانادیوم (VO2) ظرفیت بالایی از انرژی را ارائه می‌دهد اما در مقابل قابلیت رسانای الکتریکی آن بسیار ضعیف است. اما این مشکل به‌ کمک استفاده از گرافن به‌عنوان یک بک‌بن ساختاری حل می‌شود.
باتری‌های LFP (فسفات لیتیوم آهن) مثال دیگری از این روش هستند. این باتری در واقع همان لیتیوم یون اما با قابلیت شارژ مجدد است. میزان تراکم انرژی آن نسبت به سایر باتری‌های Li-ion پایین‌تر است، اما تراکم توان آن بیشتر است (یعنی میزان انرژی که می‌تواند به‌ باتری تزریق شود). تقویت کاتدهای LFP به ‌کمک گرافن باعث می‌شود تا این باتری‌ها سبک باشند، سرعت شارژ آن‌ها نسبت به باتری‌های Li-ion بیشتر باشد و نسبت به‌ باتری‌های مرسوم LFP ظرفیت بیشتری داشته باشند. یک مورد دیگر که باعث انقلابی بزرگ در بازار باتری‌ها شده است، ترکیب باتری‌های گرافن با ابرخازن‌ها است که می‌تواند نتایج فوق‌العاده‌ای ‌همراه داشته باشد. مهم‌ترین کاربرد آن در افزایش میزان مسافتی است که خودروهای الکتریکی با یک بار شارژ طی می‌کنند.

اساس باتری

باتری‌ها در واقع منبع انرژی موبایل هستند. به ‌کمک آن‌ها می‌توان دستگاه‌های مبتنی بر الکتریسیته داشت که لازم نیست مستقیم به ‌پریز برق وصل شوند. در حالی ‌که، انواع زیادی از باتری‌ها وجود دارد، مفهوم اصلی نحوه کار آن‌ها یکسان است: یک یا چندین سلول الکتروشیمیایی انرژی شیمیایی ذخیره شده را به ‌انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. ماده بیرونی تشکیل‌دهنده باتری‌ها معمولاً از یک فلز یا پلاستیک ساخته شده که یک ترمینال مثبت (آنود)، یک ترمینال منفی (کاتد) و الکترولیت‌هایی دارد که باعث حرکت یون‌ها بین آن‌ها می‌شوند. یک جداکننده (پوسته پلیمری قابل نفوذ) با ساختن سد بین آنود و کاتد مانع از شکل‌گیری مدارهای الکتریکی اتصال کوتاه می‌شود و از طرف دیگر باعث حرکت حمل‌کننده‌های یون‌های شارژ شده می‌شود. این یون‌های شارژ شده برای بستن مدار در هنگام عبور جریان مورد نیاز هستند. در آخر، یک جمع‌کننده استفاده می‌شود تا انرژی را به ‌بیرون باتری و ‌داخل دستگاه متصل به ‌آن هدایت کند. (شکل 2)
وقتی مدار بین دو ترمینال یعنی بین کاتد و آنود تکمیل شد، باتری از طریق واکنش‌هایی، الکتریسیته تولید می‌کند. در اینجا، آنود واکنش اکسید شدن را تجربه می‌کند و در جریان آن، یک یا چندین یون حاصل از الکترولیت با آنود ترکیب می‌شوند تا الکترون‌های مرکب تولید کنند. هم‌زمان، کاتد یک واکنش تقلیل را تجربه می‌کند یعنی ماده، یون‌ها و الکترون‌های آزاد به ‌یک ماده مرکب تبدیل می‌شوند. به‌ عبارت ساده‌تر، واکنش آنود به تولید الکترون‌ها منجر می‌شود، در حالی‌ که کاتد با جذب آن‌ها الکتریسیته تولید می‌کند. باتری تا زمانی به ‌تولید الکتریسیته ادامه می‌دهد که ماده لازم برای ساخت واکنش‌ها را در اختیار داشته باشد.

شکل 2-

مطلب پیشنهادی

باتری با طول عمر دو‌برابر، شارژ فوق سریع و ارسال انرژی از راه‌دور

آینده فناوری‌های باتری‌ در سال 2017

انواع باتری‌ها و مشخصات آن‌ها

باتری‌ها به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند: اصلی و ثانویه. باتری‌های اصلی (از بین رفتنی) یک بار و تا زمانی ‌که مواد الکترود داخل آن‌ها در زمان شارژ به ‌طور معکوس در حال تغییر هستند کار می‌کنند. متداول‌ترین آن‌ها باتری زینک-کربن و باتری آلکالاین است که در اسباب‌بازی‌ها، چراغ‌های قوه و تعداد زیادی از دستگاه‌های پرتابل استفاده می‌شود. باتری‌های ثانویه (قابل شارژ) تا زمانی‌ که ترکیب اصلی الکترودها قادر به ‌کار باشد، می‌توانند چندین بار شارژ و دشارژ شوند. باتری‌های سرب-اسید که در خودروها استفاده می‌شوند و باتری‌های لیتیوم-یون که در دستگاه‌های الکترونیکی پرتابل استفاده می‌شوند، از این دسته از باتری‌ها هستند.
باتری‌ها برای اهداف و کاربردهای مختلف در شکل‌ها و اندازه‌های گوناگون تولید می‌شوند. وجود انواع مختلف باتری‌ها به‌منزله مزیت‌ها و معایب گوناگون آن‌ها است. باتری‌های نیکل-کادمیوم (NiCd) تراکم پایینی از انرژی دارند و در جاهایی استفاده می‌شوند که طول عمر بیشتر، سرعت دشارژ بالاتر و قیمت مناسب از اهمیت بیشتری برخوردار است. این ‌گونه باتری‌ها در دوربین‌های فیلم‌برداری و ابزار برقی دیده می‌شوند. باتری‌های NiCd حاوی مواد سمی هستند و به محیط ‌زیست آسیب می‌رسانند. باتری‌های هیدرید نیکل-متال تراکم انرژی بیشتری نسبت به NiCd دارند، اما چرخه حیات آن‌ها کوتاه‌تر است. کاربرد آن‌ها در گوشی‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها است. باتری‌های سرب-اسید سنگین هستند و در کاربردهای برقی بزرگ نقش مهمی را ایفا می‌کنند، زیرا در این مکان‌ها وزن اهمیت چندانی ندارد اما قیمت حرف اول را می‌زند. این باتری‌ها بیشتر در تجهیزات بیمارستانی و چراغ‌های اورژانس استفاده می‌شوند.
باتری‌های لیتیوم-یون در جاهایی استفاده می‌شوند که انرژی بالا و حداقل وزن اهمیت بیشتری دارند. اما فناوری آن شکننده و ضعیف است و یک مدار محافظتی برای اطمینان از ایمنی آن‌ها ضروری است. گوشی‌های موبایل و انواع مختلف کامپیوترها از جمله مواردی هستند که این باتری در آن‌ها دیده می‌شود. باتری‌های لیتیوم-یون پلیمر بیشتر در گوشی‌های موبایل کاربرد دارند. وزن آن‌ها کم است و نسبت به ‌باتری‌های Li-ion باریک‌تر هستند. همچنین، معمولاً ایمنی و طول عمر بیشتری دارند. اما به‌دلیل پایین بودن هزینه ساخت باتری‌های Li-ion و داشتن تراکم انرژی بالاتر، کمتر شاهد استفاده از این مدل باتری هستیم.

مطلب پیشنهادی

باتری لیتیوم یونی حالت جامد

انقلابی در باتری‌ اسمارت‌فون‌ها: سه برابر ظرفیت بیشتر و غیرقابل احتراق

باتری‌ها و ابرخازن‌ها

با اینکه برخی از باتری‌ها امکان ذخیره مقدار زیادی انرژی را دارند، اما نکته منفی آن‌ها اندازه بسیار بزرگ، سنگین بودن و سرعت پایین انتشار انرژی است. از طرف دیگر، خازن‌ها با سرعت بیشتری شارژ و دشارژ می‌شوند اما میزان انرژی که ذخیره می‌کنند خیلی کمتر از باتری است. به‌کارگیری گرافن در چنین جایی باعث ظهور قابلیت‌های جالب توجه جدیدی می‌شود. زیرا هم سرعت شارژ و دشارژ بالایی دارد و هم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. کارایی بهینه شده با گرافن باعث ایجاد یک مرز مشخص بین باتری‌ها و ابرخازن‌ها می‌شود. (شکل 3)

شکل - 3

محصولات تجاری که از باتری‌های گرافنی سود می‌برند

باتری‌های بهینه شده گرافنی توانایی بالقوه زیادی دارند. با اینکه هنوز به ‌مرحله تجاری‌سازی نرسیده‌اند، اما تیم‌های R&D با جدیت زیادی مشغول کار هستند و امیدوارند که در آینده خبرهای خوبی به‌ همراه داشته باشند. هواوی در نوامبر سال 2016 از یک باتری لیتیوم-یون جدید که با گرافن تقویت شده بود رونمایی کرد. این باتری می‌تواند در دماهای بالا مانند 60 درجه سانتی‌گراد کار کند و طول عمر آن نسبت به باتری‌های قبلی دو برابر بیشتر است. هواوی برای دستیابی به ‌این موفقیت از چندین فناوری جدید از جمله مواد افزودنی ضدتجزیه در الکترولیت، کاتدهای تک کریستالی تثبیت شده شیمیایی و گرافن برای توزیع حرارت استفاده کرد. به‌‌گفته هواوی، گرافن دمای کاری باتری را 5 درجه پایین می‌آورد.
شرکت امریکایی Vorbeck Materials در ژوئن سال 2014 یک منبع برقی کم‌وزن و انعطاف‌پذیر به‌نام Vor-Power Strap را معرفی کرد که قادر است به بند هر کیفی وصل و به ‌کمک دو پورت USB و یک پورت micro-USB به‎ ایستگاه شارژ موبایل تبدیل شود. وزن این محصول تنها 450 گرم و قدرت آن 7200 میلی‌آمپر ساعت است و احتمالاً اولین باتری تقویت شده گرافن در دنیا است. (شکل 4)

شکل- 4

شرکت امریکایی Angstron Materials در می سال 2014 از چندین محصول جدید گرافنی رونمایی کرد. این محصولات که قرار بود اواخر همان سال میلادی در دسترس قرار گیرند، شامل مواد آنودی تقویت شده با گرافن برای استفاده در باتری‌های لیتیوم-یون است. مواد این باتری NANO GCA نام‌گذاری شدند و انتظار می‌رود به‌دلیل تلفیق سیلیکون‌های با ظرفیت بالا با گرافن تقویت شوند و رسانا قادر به‌ پشتیبانی از صدها چرخه شارژ/ دشارژ باشند.

مطلب پیشنهادی

ساخت باتری از آب شور

گریه کنید تا اشک‌هایتان انرژی باتری‌های آینده را تامین کنند

پیشرفت‌ها و توسعه‌های زیادی هم در حوزه باتری‌های گرافنی برای خودروهای الکتریکی صورت گرفته است. هنریک فیسکر که پیش از این خبر از پروژه ساخت یک EV جدید داده بود که از باتری تقویت شده گرافن استفاده می‌کند، در نوامبر سال 2016 محصول جدید خود را رونمایی کرد. محصولی که انتظار می‌رفت یک رقیب جدی برای تسلا باشد. این خودروی اسپرت الکتریکی که Emotion نام دارد، با هر بار شارژ تا 644 کیلومتر را طی می‌کند و حداکثر سرعت آن 259 کیلومتر در ساعت است. شرکت‌های «گرافن نانوکم» و «سینک» هم در اکتبر سال 2014 خبر از طرح جدیدشان برای تولید و توسعه باتری‌های لیتیوم-یون تقویت شده گرافن برای اتوبوس‌های الکتریکی داده بودند. در اکتبر سال 2014، شرکت تسلا خبر توسعه یک فناوری جدید باتری را منتشر کرد که ظرفیت آن برای خودروی الکتریکی مدل S تقریباً دو برابر بود. با اینکه رسماً اسمی از گرافن برده نشد، اما منطقی است تصور کنیم گرافن در تولید این باتری نقش داشته است. 
شرکت‌‌های انگلیسی Perpetuus Carbon Group و OXIS Energy در ژوئن سال 2014 توافق کردند تا با همکاری یکدیگر الکترودهای مبتنی بر گرافن برای باتری‌های لیتیوم-سولفور بسازند. این باتری ظرفیت انرژی بالاتری دارد و به ‌خودروهای الکتریکی کمک می‌کند تا با یک بار شارژ مسافت بیشتری را طی کنند. یک خبر جالب دیگر در این زمینه در سپتامبر سال 2014 توسط شرکت امریکایی Graphene 3D Labs منتشر شد. این شرکت در نظر دارد تا باتری‌های گرافن سه‌بعدی چاپ کند. باتری‌های مبتنی بر گرافن می‌توانند عملکرد بسیار بهتری نسبت به‌ باتری‌های تجاری فعلی داشته باشند و اندازه و شکل آن‌ها هم کاملاً متفاوت است.

تالگا از پیشرفت خود در پروژه باتری‌های تقویت شده گرافن خبر می‌دهد

شرکت تالگا اخیراً خبر تازه‌ای در رابطه با برنامه توسعه باتری در کارخانه خود در شهر وارویک انگلستان منتشر کرد. به ‌نظر می‌رسد آن‌ها نتایج امیدوارکننده‌ای از 1200 ساعت آزمایش خود روی فرمول آنود باتری جدید لیتیوم-یون به‌ دست آورده‌اند. در این فرمول مواد میکروگرافیت و GNP با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
آنود کارایی‌های الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای را در چندین صنعت کلیدی و مهم به نمایش گذاشت. این نمایش‌ها شامل ظرفیت برگشت‌پذیر ~420mAh/g در 100 چرخه با قابلیت نگهداری 99.5 درصد و کارایی کولومیک 99.9 درصد می‌شوند. همچنین، ارزیابی ظرفیت نشان‌دهنده ~20 درصد افزایش در کارایی ظرفیت در مقایسه با آنودهای گرافیتی تجاری در دسترس است. این نتایج می‌تواند خبر خوب و قابل توجهی برای خودروهای الکتریکی و میزان مسافتی که با هر بار شارژ طی می‌کنند باشد.