باتری گرافن، ساختار و مزایای آن

پژوهشگران به منظور بسیاری از کاربردهای تجاری در حال تحقیق و آزمایش باتری گرافن هستند. عملکرد بهبود یافته و مزایای مربوط به چرخۀ عمر در هنگام تولید باتری‌های مبتنی بر گرافین مسلماً بیشتر از باتری‌های یون-فلزی سنتی ارزش سرمایه‌گذاری دارند.

تسلا موتور نمونۀ بارز از شرکت‌های مبتکر است که دائم در حال پیگیری تحقیقات بر باتری گرافن و روانۀ بازار کردن این نوع باتری‌ها است.

ما بر این باور هستیم که اکتشافات جدید باتری گرافین شامل ترکیبات دوگانۀ گرافن-لیتیوم-یونی خواهد بود که در کاتد‌های سلول‌های لیتیوم-گوگرد با یکدیگر آمیخته و ترکیب شده اند. این نوع فناوری هنوز سال‌ها با وارد بازار شدن فاصله دارد و هنوز تحقیقات و آزمایشات بسیاری باید در این زمینه انجام شود.

فناوری‌های مبتکرانه‌تر باتری‌ گرافن به صرف هزینۀ زیادی جهت تحقیق و توسعه نیاز دارند و سال‌ها طول می‌کشد تا روانۀ بازار شوند.

ساختار باتری گرافن

فناوری و ساختار باتری‌ گرافن مشابه همان باتری‌های معمول و قدیمی است؛ از این جهت که دارای دو الکترود مثبت و منفی و یک محلول الکترولیت است. تفاوت اصلی میان باتری‌های حالت جامد و باتری‌های مبتنی بر گرافین در ترکیب یک یا هر دو الکترود آن‌ها است.

در اصل این تغییر در کاتد نهفته است، اما آلوتروپ‌های کربن را می‌توان در آند نیز به کار برد. کاتد در یک باتری معمولی کاملاً از مواد جامد تشکیل شده است، در حالی که در کاتد باتری گرافین یک مادۀ ترکیبی کامپوزیت است که از یک مادۀ فلزی جامد و گرافن تشکیل شده است.

مقدار گرافن به کار رفته در کامپوزیت بسته به کاربرد مورد نظر متفاوت است. به طور کلی مقدار گرافین موجود در الکترود به عملکرد و کارایی مورد نیاز بستگی داشته و بر مبنای کارایی و یا کاستی‌های موجود در مواد اولیۀ جامد است.

نوآوری‌های جدید در زمینۀ باتری گرافن شامل ترکیبات دوگانۀ گرافین-لیتیوم یونی خواهد بود که در کاتد‌های سلول‌های لیتیوم-گوگرد با یکدیگر آمیخته و ترکیب شده اند که در این راهنما این موضوع با جزئیات کامل شرح داده شده است. در هیچ یک از باتری‌های گرافینی، الکترود گرافنی به شکل خالص به کار نرفته است.

الکترودهای غیرآلی محدودیت‌هایی از قبیل مساحت سطح، چگالی، ظرفیت، تعداد چرخه، رسانایی یا ظرفیت دارند. از آن‌جا که گرافن یک مولکول تطبیف پذیر و همه کاره است که دارای بسیاری از خواص منحصر به فرد و مطلوب است، می‌توان از آن به روش‌های مختلف استفاده کرد.

گرافین برای ارتقاء بسیاری از مزایایی که در حال حاضر در مواد اولیۀ معمولی وجود دارد، استفاده می شود، اما به رفع محدودیت‌های باتری‌های پیشین نیز کمک می‌کند در نتیجه باعث ارتقاء کارایی یا افزایش طول عمر آنان خواهد شد.

به طور کلی گرافین در الکترودها به دو روش کار می‌کند، یا به عنوان یک تقویت کننده یا یک کامپوزیت یا هیبرید (ترکیبی)

گرافین به عنوان یک مادۀ تقویت کننده، به حفظ نظم و ترتیب یون‌های فلزی کمک می‌کند. که به طور کلی موجب افزایش میزان بازدهی الکترود خواهد شد. اما به عنوان یک مادۀ کامپوزیت در یک الکترود، نقشی کاملاً متفاوت را ایفا می‌کند. زیرا در کل بیشتر در عملیات تسهیل شارژ درگیر می‌شود که رسانایی بالا و ساختار منظم آن برای تمایز و بهبود آن نسبت به پیشینیان غیرگرافینی اش امری حیاتی است.

باتری‌های مبتنی بر گرافن از نظر کارایی و بازدهی به سرعت در حال همتراز شدن و مقایسه با باتری های جامد معمولی هستند. این باتری‌ها پیوسته در حال پیشرفت هستند و طولی نخواهد کشید که گوی سبقت را از اجداد جامد خود بربایند. حتی اگر بازدهی چندان بالا نباشد مزایای مازاد مربوط به کاربرد گرافن در الکترودها می‌تواند بسیار مفید باشد.

برای باتری‌هایی با میزان بازدهی مشابه باتری‌ گرافین یک انتخاب ایده آل هستند، و به همین دلیل است که دانشمندان در تلاش هستند تا در آینده این دسته از باتری‌ها را ارتقا دهند. آن‌ها شروع به جذب در بازار تجاری کرده‌اند و دیری نخواهد گذشت که استفاده از آن‌ها رواج یافته و به تدریج جای باتری‌های جامد را بگیرند.

به نقل قول یکی از پیش‌بینی‌های اخیر «انتظار می‌رود بازار جهانی باتری گرافن تا سال ۲۰۲۲ با رشدی برابر با % ۴/۳۸ به ۱۱۵ میلیون دلار برسد. برآورد می‌شود که صنعت خودروسازی در طول این دوره بازار را به دست بگیرد.

با افزایش تقاضا برای انرژی در سطح جهان، ارتقاء و بهبود دستگاه‌های ذخیره انرژی و در عین حال کاهش اثرات منفی زیست محیطی مربوط به استفاده از باتری‌های مبتنی بر مصرف کننده یک هدف عالی و بی‌نظیر است.

مزایای باتری گرافین

باطری گرافن در مقایسه با بهترین باتری‌های لیتیوم یونی که امروزه استفاده می‌کنیم، پنج برابر انرژی بیشتری دارد؛ علاوه بر این، پس از ۴۰۰ چرخۀ شارژ/دشارژ (تخلیه)، هیچ افت ظرفیتی در آن مشاهده نشّده است.

استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی به دلیل بروز مشکلاتی از جمله انفجار هنوز با نگرانی و اخطار روبه رو است در حالی که، باتری‌ گرافن از نظر ایمنی قابل اعتمادتر از باتری‌های لیتیومی هستند. علاوه بر این، از آنجا که گرافن یکی از آلوتروپ‌های کربن است که در طبیعت یافت می‌شود، استفاده از آن به جای لیتیوم هم با محیط زیست سازگارتر است و هم کم هزینه‌تر است.

آیندۀ باتری گرافن

Graphene Flagship بیش از ۱۵۰ گروه تحقیقاتی دانشگاهی و صنعتی از ۲۳ کشور را دور هم جمع کرده است تا با کمک گرافین به عنوان یک مادۀ صنعتی به رشد اقتصادی و ایجاد مشاغل و فرصت‌های شغلی جدید کمک کنند.

Graphene Flagship که با بودجۀ ۱ میلیارد یورویی اتحادیۀ اروپا بنیان گذاری شد، در حال ساخت بزرگترین جستجوگر مبتکران اروپا است.

از آنجایی که آینده به مواد پایدار و سازگار با محیط زیست بستگی دارد، ما نیز به انرژی متکی هستیم؛ بنابراین، به نظر می‌رسد باتری‌ گرافن اولین گزینۀ جوامع صنعتی در سال‌های پیش رو خواهند بود.