مع نمو السكان العالميين ، يستمر الطلب على إنتاج الطاقة وتخزينه في الزيادة. تلعب الجرافين والمواد ذات الصلة (GRMS) ، مع مساحة السطح العالية ، والتوصيل الكهربائي الكبير ، والخصائص الخفيفة ، والاستقرار الكيميائي ، والمرونة الميكانيكية العالية ، دورًا رئيسيًا في تلبية هذا الطلب في إنتاج الطاقة وتخزينها.
أحد مجالات الأبحاث التي تتم دراستها بدرجة عالية هي تخزين الطاقة. في حين أن جميع مجالات الإلكترونيات تتطور بمعدل سريع للغاية على مدار العقود القليلة الماضية (في إشارة إلى قانون مور ، فإن عدد الترانزستورات المستخدمة في الدوائر الإلكترونية يتضاعف كل عامين) ، كانت المشكلة دائمًا تخزين الطاقة دون استخدام البطاريات والمكثفات. كان تطوير حلول تخزين الطاقة هذه أبطأ بكثير. المشكلة هي: قد تخزن البطارية الكثير من الطاقة ، ولكن قد يستغرق شحن المكثفات من ناحية أخرى ، ولكن لا يمكن شحن هذه الطاقة الكثير من الطاقة (من الناحية نسبيًا). يتمثل الحل في تطوير مكونات تخزين الطاقة ، مثل المكثفات الفائقة أو البطاريات ، والتي يمكن أن توفر خصائص إيجابية دون حل وسط.
حاليًا ، يعمل العلماء على تحسين قدرات بطاريات الليثيوم أيون (باستخدام الجرافين كأنود) لتوفير سعة تخزين أعلى ، وعمر أفضل ومعدل الشحن. بالإضافة إلى ذلك ، يتم البحث في الجرافين وتطويره للاستخدام في صنع المكثفات الفائقة التي يمكن أن تتقاضى بسرعة كبيرة ، مع القدرة أيضًا على تخزين كميات كبيرة من الكهرباء. قد يتم تطوير المكثفات الدقيقة المستندة إلى الجرافين للتطبيقات منخفضة الطاقة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الحوسبة المحمولة ، وقد يتم تسويقها خلال 5-10 سنوات القادمة. يمكن استخدام بطاريات ليثيوم أيون المحسّنة بالجرافين في تطبيقات أعلى مستهلكة للطاقة ، مثل السيارات الكهربائية ، أو يمكن استخدامها في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية مثل بطاريات ليثيوم أيون اليوم ، ولكن بحجم أقل بكثير ووزن.
1. بطاريات الجرافين
تُظهر بطاريات الليثيوم أيون المحسّنة بالجرافين خصائص لا تصدق مثل العمر الأطول ، والسعة الأعلى ، ووقت الشحن بشكل أسرع ، والمرونة وقابلية النقل ، بحيث يمكن استخدامها في الإلكترونيات القابلة للارتداء.
بطاريات الجرافين هي تقنية ناشئة يمكن أن تزيد من كثافة القطب ، وتسريع أوقات الدورة ، ولديها القدرة على تحمل رسوم لفترة أطول ، وبالتالي زيادة عمر البطارية. بطاريات الجرافيت ناضجة وتأتي بأشكال عديدة. لقد ثبت أن بطاريات الجرافين لديها قدرات أعلى من بطاريات الليثيوم أيون ، حتى بأحجام أصغر. يمكن لبطاريات الليثيوم أيون تخزين ما يصل إلى 180 ساعة لكل كيلوغرام ، في حين أن الجرافين يمكنه تخزين ما يصل إلى 1000 ساعة لكل كيلوغرام ، مما يجعله تخزين الطاقة أكثر كفاءة في الفضاء.
2. الجرافين في الخلايا الشمسية
كانت فكرة تطوير خلايا شمسية أخف وزنا ومرونة وشفافية موجودة لبعض الوقت ، ولكن العثور على مواد مع جميع الخصائص والقدرة على حمل التيار هو المشكلة. يتم استخدام أكسيد القصدير الإنديوم لأنه شفاف ، لكنه غير مرن ، لذلك يجب أن تظل الخلية جامدة.
في عام 2017 ، قام باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتطبيق الجرافين بنجاح على الخلايا الشمسية. عندما قارنوا الخلية الشمسية الجرافين بالخلايا الأخرى المصنوعة من أكسيد القصدير من الألومنيوم وأكسيد الإنديوم ، وجدوا أنه كان جيدًا مثل خلية ITO ، ولكنه أسوأ قليلاً من الخلية AL من حيث الكثافة الحالية وكفاءة تحويل الطاقة. ومع ذلك ، من المتوقع أن يكون أداء الخلايا الشفافة أقل من أداء الخلايا القائمة على الألمنيوم غير المعتمة.
على الرغم من عدم وجود اختراق في الأداء الكهربائي ، فقد تم تطوير خلية شمسية مرنة وشفافة يمكن تركيبها على أي سطح (السيارات والملابس والهواتف الورقية والهواتف المحمولة ، إلخ). بالإضافة إلى ذلك ، يحاول العلماء الآخرون معرفة ما إذا كانت الخلايا الشمسية للجرافين يمكنها توليد الطاقة من قطرات المطر ، والتي تبدو من الناحية النظرية ممكنة.
نظرًا لأن اعتمادنا على الطاقة المتجددة يصبح أكثر وضوحًا ، فإن الحاجة إلى الخلايا الشمسية عالية الكفاءة تصبح أكثر أهمية ، خاصة عندما تكون واحدة من أسهل وأرخص الطرق لتوليد الطاقة النظيفة. بشكل عام ، الخلايا الشمسية ليست فعالة للغاية. ومع ذلك ، فإن التطورات الحديثة في الخلايا الشمسية القائمة على الجرافين شهدت انخفاضًا بنسبة 20 ٪ في انعكاس أشعة الشمس ، مما يوفر مكاسب محتملة تصل إلى 20 ٪. يتم حاليًا دراسة العديد من الخلايا الشمسية المختلفة القائمة على الجرافين.
3. الجرافين في الحرارية
يتم تعريف تأثير SEEBECK على أنه التأثير الحراري الذي يحدث عند تطبيق الحرارة على أحد الموصلات الكهربائية المختلفة (أو أشباه الموصلات) لنقل الإلكترونات من الجزء الساخن إلى الجزء الأكثر برودة وتوليد الكهرباء. ومع ذلك ، فإن الطاقة الناتجة عن هذه الطريقة صغيرة جدًا ، وعادة ما تكون كمية في microvolts. ومع ذلك ، فإن الاعتقاد بأنه يمكن استخدامه للاستفادة من الحرارة الناتجة عن المحرك يضيع بالفعل. يمكن استخدام الجرافين لزيادة تأثير SEEBECK الذي تنتجه سترونتيوم تيتانيت بعامل ما يقرب من 5.
4. الجرافين في محطات الطاقة النووية
المياه الثقيلة ، التي تستخدم لتبريد المفاعلات في محطات الطاقة النووية ، ليست مكلفة فقط لإنتاجها ، ولكنها أيضًا تنبعث منها مليون طن من ثاني أكسيد الكربون أثناء إنتاجها. اكتشف الباحثون في جامعة مانشستر أن هناك طريقة أكثر ملاءمة للبيئة وأقل تكلفة لإنتاج مياه ثقيلة: أغشية الجرافين. هذا الابتكار مهم للغاية لدرجة أنه سيتم تقديمه قريبًا إلى الصناعة النووية ، على الرغم من أن الصناعة تشك في التقنيات الجديدة عمومًا. الجرافين له استخدامات مهمة للغاية في محطات الطاقة النووية. تذوب جزيئات أكسيد الجرافين بسهولة في الماء ، وتمتص المواد الإشعاعية مثل الإسفنج وتكتلات النماذج.
نظرة عامة على التطبيق
عنصر التدفئة غير السيليكون/لا تسرب زيت السيليكون: لا يستخدم المنتج مادة السيليكون ، مما يحل تمامًا مشاكل تطهير السيلوكسان وتسرب زيت السيليكون لعناصر تسخين السيليكون التقليدية.
مقاومة التآكل / مقاومة درجة الحرارة العالية: لديها عزل جيد ، حامض قوي ومقاومة قلوية ، يمكن أن تحمل درجة حرارة عالية 300 درجة مئوية لفترة طويلة ، وهي مناسبة لمختلف البيئات القاسية.
ميزة التكلفة: لديها ميزة التكلفة على سخانات البطارية التقليدية.
ميزة الأداء
خصائص ميكانيكية عالية. مقاومة درجات الحرارة العالية ، مقاومة درجة الحرارة على المدى الطويل 260 ℃ ، على المدى القصير 500 ℃. دائمة مضادة للثبات ، 350 ℃ ، 300 دقيقة مضادة للتغير. الموصلية الحرارية الممتازة ، الموصلية الحرارية فوق 0.24W/M.K. الاستقرار الأبعاد الممتازة عند ارتفاع درجة الحرارة ، معدل الانكماش ≤0.3 ٪ عند 250 ℃ ، 30 دقيقة. مثبطات اللهب الآمن ، والاستيعاب الذاتي ، وحماية البيئة الخالية من الهالوجين وسطح غير لامع.
