بطاريات الجرافين: نظرة عامة على السوق والمقدمة

الجرافين والبطاريات

يُعتبر الجرافين ، وهو ورقة من ذرات الكربون المرتبطة معًا في نمط شعرية قرص العسل ، على نطاق واسع بمثابة \"مادة عجب \" بسبب خصائصها المذهلة التي لا تعد ولا تحصى. إنه موصل فعال للطاقة الكهربائية والحرارية ، وهو خامل للغاية من الناحية الكيميائية ، وهو مرن مع مساحة سطح كبيرة. كما أنه يعتبر صديقة للبيئة ومستدامة ، مع إمكانيات تطبيق لا نهاية لها.

في مجال البطاريات ، يمكن تحسين مواد قطب البطارية التقليدية (ومواد القطب المستقبلي) بشكل كبير عند تعزيزها مع الجرافين. بطاريات الجرافين خفيفة الوزن ، متينة ، مناسبة لتخزين الطاقة عالي السعة ، وكذلك تقليل وقت الشحن. سوف يطيل عمر البطارية ، والذي يرتبط عكسيا بكمية الكربون المغلفة على المادة أو إضافتها إلى الأقطاب الكهربائية لتحقيق الموصلية ، في حين أن الجرافين يزيد الموصلية دون كمية الكربون المستخدمة في البطاريات التقليدية.

يمكن للجرافين تحسين خصائص البطارية مثل كثافة الطاقة والمورفولوجيا بعدة طرق. يمكن تحسين بطاريات الليثيوم أيون (وأنواع أخرى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن) وتعزيز الأداء من خلال دمج الجرافين في أنود البطارية واستغلال الموصلية الكهربائية للمادة وخصائص مساحة السطح الكبيرة.

وقد وجد أيضًا أنه يمكن أيضًا استخدام إنشاء مواد هجينة لتحقيق تحسينات البطارية. على سبيل المثال ، يمكن استخدام مخاليط أكسيد الفاناديوم (VO2) والجرافين في كاثودات الليثيوم أيون وتوفر شحنًا سريعًا وتفريغًا بالإضافة إلى متانة دورة الشحن الكبيرة. في هذه الحالة ، يوفر VO2 سعة عالية للطاقة ولكن ضعف الموصلية ، والتي يمكن حلها باستخدام الجرافين باعتباره العمود الفقري \"لتوصيل VO2 - إنشاء مختلط يجمع بين السعة العالية ومواد الموصلية الممتازة.

مثال آخر هو بطارية LFP (فوسفات الحديد الليثيوم) ، وهي بطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون الأخرى ، فإنه يحتوي على كثافة طاقة أقل ، ولكن كثافة طاقة أعلى (مؤشر على المعدل الذي يمكن أن توفر به البطارية الطاقة). يتيح تعزيز كاثود LFP مع الجرافين أن تكون البطارية أخف وزناً ، وشحن أسرع بكثير من بطاريات الليثيوم أيون ، ولها سعة أكبر من بطاريات LFP التقليدية.

بالإضافة إلى إحداث ثورة في سوق البطارية ، يمكن للاستخدام المشترك لبطاريات الجرافين ومكثفات الجرافين الفائقة أن تسفر عن نتائج مذهلة ، مثل المفهوم المعروف لزيادة نطاق وكفاءة السيارات الكهربائية. على الرغم من أن بطاريات الجرافين لم تحقق تسويقًا واسع النطاق ، إلا أنه يتم الإبلاغ عن اختراقات البطارية في جميع أنحاء العالم.

أساسيات البطارية

تعمل البطاريات كبنوك طاقة ، مما يسمح للأجهزة التي تعمل بالطاقة بالعمل دون توصيلها مباشرة في منفذ. بينما توجد أنواع كثيرة من البطاريات ، يظل المفهوم الأساسي الذي تعمل به متشابهًا: واحد أو أكثر من الخلايا الكهروكيميائية تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية. عادة ما تكون البطاريات مصنوعة من غلاف معدني أو بلاستيكي يحتوي على محطة إيجابية (Anode) ، محطة سلبية (الكاثود) ، والكهارل الذي يسمح للأيونات بالتحرك بينهما. يشكل الفاصل ، وهو غشاء البوليمر القابل للنفاذ ، حاجزًا بين الأنود والكاثود لمنع الدوائر القصيرة ، مع السماح أيضًا بنقل ناقلات الشحن الأيونية اللازمة لإغلاق الدائرة أثناء مرور التيار. أخيرًا ، يتم استخدام المجمع لشحن البطارية خارجيًا عبر الجهاز المتصل.

عند اكتمال الدائرة بين المحطتين ، تنتج البطارية الكهرباء من خلال سلسلة من التفاعلات. يخضع الأنود لتفاعل الأكسدة حيث يجمع أيونات أو أكثر من المنحل بالكهرباء مع الأنود لإنشاء مركبات تطلق الإلكترونات. في الوقت نفسه ، يحدث تفاعل تخفيض في الكاثود ، وتجمع مادة الكاثود والأيونات والإلكترونات الحرة في المركبات. باختصار ، ينتج تفاعل الأنود الإلكترونات ، بينما يمتص تفاعل الكاثود الإلكترونات ، وبالتالي ينتج الكهرباء. ستستمر البطارية في توليد الكهرباء حتى تنفد الأقطاب الكهربائية من المواد اللازمة لإنتاج التفاعل.

البطاريات والمكثفات الفائقة

في حين أن بعض أنواع البطاريات قادرة على تخزين كميات كبيرة من الطاقة ، فهي كبيرة جدًا وثقيلة وتطلق طاقة ببطء. المكثفات ، من ناحية أخرى ، قادرة على شحن وتفريغ بسرعة ولكن تخزين طاقة أقل بكثير من البطاريات. ومع ذلك ، فإن استخدام الجرافين في هذا الحقل يوفر إمكانيات جديدة ومثيرة لتخزين الطاقة ، مع ارتفاع معدلات الشحن والتفريغ ، وحتى القدرة على تحمل التكاليف. وبالتالي ، فإن أداء الجرافين المحسن يمسح الخطوط التقليدية للتمييز بين المكثفات الفائقة والبطاريات.

نوع البطارية والخصائص

تنقسم البطاريات إلى نوعين رئيسيين: البطاريات الأولية والبطاريات الثانوية. بعد استخدام بطارية أساسية (يمكن التخلص منها) مرة واحدة ، لا يمكن استخدامها لأن مادة القطب فيها تتغير بشكل لا رجعة فيه أثناء الشحن. الأمثلة الشائعة هي بطاريات الزنك والكربون والبطاريات القلوية المستخدمة في الألعاب والمصابيح الكهربائية ومجموعة من الأجهزة المحمولة. البطاريات الثانوية (قابلة لإعادة الشحن) التي يمكن تفريغها وإعادة شحنها عدة مرات لأن التركيبة الأصلية للأقطاب الأقطاب الكهربائية تعيد وظيفة. ومن الأمثلة على ذلك بطاريات حمض الرصاص للسيارات وبطاريات الليثيوم أيون للإلكترونيات المحمولة.

تأتي البطاريات في جميع الأشكال والأحجام وتستخدم لأغراض مختلفة لا حصر لها. أنواع مختلفة من البطاريات تظهر مزايا وعيوب مختلفة. تتمتع بطاريات النيكل-الكاديوم (NICD) بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا وتستخدم حيث تكون العمر الطويل ومعدلات التفريغ المرتفعة والسعر الاقتصادي أمرًا أساسيًا. يمكن العثور عليها في كاميرات الفيديو وأدوات الطاقة ، من بين استخدامات أخرى. تحتوي بطاريات النيكل-كاديميوم على معادن سامة وليست صديقة للبيئة. تتمتع بطاريات NIMH بكثافة طاقة أعلى من بطاريات NICD ، ولكن لها عمر أقصر. وتشمل التطبيقات الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. بطاريات حمض الرصاص ثقيلة وتلعب دورًا مهمًا في تطبيقات الطاقة العالية حيث لا يكون الوزن هو الجوهر ولكن السعر الاقتصادي. وهي شائعة في الاستخدامات مثل معدات المستشفيات وإضاءة الطوارئ.

يتم استخدام بطاريات الليثيوم أيون (LI-ION) حيث تكون الطاقة العالية والوزن الأدنى مهمة ، لكن التكنولوجيا هشة وتتطلب دوائر وقائية لضمان السلامة. وتشمل التطبيقات الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المختلفة. تم العثور على بطاريات البوليمر الليثيوم أيون (بوليمر LI-ion) في معظمها في الهواتف المحمولة. فهي خفيفة الوزن وأنحف من بطاريات الليثيوم أيون. كما أنها أكثر أمانًا وتستمر لفترة أطول. ومع ذلك ، يبدو أنها أقل شيوعًا لأن بطاريات الليثيوم أيون أرخص في التصنيع ولها كثافة طاقة أعلى.

البطاريات المحسنة بالجرافين هنا تقريبًا

تتمتع البطاريات المستندة إلى الجرافين بإمكانات مثيرة ، وعلى الرغم من أنها لم يتم تسويقها بالكامل بعد ، إلا أن البحث والتطوير مكثف ووعد بالثمار في المستقبل. تقوم الشركات في جميع أنحاء العالم (بما في ذلك Samsung و Huawei وما إلى ذلك) بتطوير أنواع مختلفة من البطاريات المحسنة للجرافين ، والتي يدخل بعضها السوق. يستخدم بشكل أساسي في السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة.

تستخدم بعض البطاريات الجرافين بطريقة طرفية - وليس كيمياء البطارية. على سبيل المثال ، في عام 2016 ، قدمت Huawei بطارية ليثيوم أيون محسّنة من الجرافين والتي تستخدم الجرافين للحفاظ على وظيفة في درجات حرارة أعلى (60 درجة بدلاً من الحد الحالي 50 درجة) ويوفر ضعف ساعات العمل. تستخدم البطارية الجرافين لتحسين تبديد الحرارة - فهي تقلل من درجة حرارة تشغيل البطارية بمقدار 5 درجات.