باتری گرافینی و هر آنچه باید در مورد آن بدانید

حتما شما هم تا کنون نام باتری های گرافینی را شنیده اید و می دانید که این باتری گرافینی با ویژگی های خارق العاده خود تحولی جدید در نسل جدید گوشی های هوشمند و خودروهای برقی یا حتی باتری خودرو ایجاد خواهد کرد. بنابراین در این مقاله ابتدا به اساس کار باتری می پردازیم، پس از آن به طور کامل مشخصات این باتری گفته می شود و این که چه تفاوتی با باتری های لیتیوم یونی دارد.

قبل از مطالعه ادامه این مقاله پیشنهاد می شود حتما ویدئوی زیر را مشاهده نمایید! این فیلم چند دقیقه ای به شما درک بهتری از باتری های گرافینی می دهد که دیدن آن خالی از لطف نیست.

فیلم معرفی باتری گرافینی

اساس کار باتری ها چیست؟

جهت آشنایی کلی با باتری ها، باید بدانید که باتری‌ها در واقع منبع انرژی موبایل و لوازم الکتریکی 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.

ساختار و عملکرد باتری، به گونه ای است که 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.

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

باتری های لیتیوم یونی نسل حاضر باتری ها

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.

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

باتری گرافینی چیست؟

قبل از این که راجع به باتری های گرافینی صحبت کنیم ، بهتر است ابتدا در رابطه با خود گرافین صحبت کنیم و نحوه عملکرد آن را بیان کنیم. به طور مختصر گرافین از اتم های کربن تشکیل شده است که آرایش شش ضلعی دارد. آن‌چه موجب خاص بودن گرافین می‌شود این است که ضخامت هر لایه‌ی گرافین معادل یک اتم است.

به‌عبارتی، یک ورقه‌ی گرافین را می‌توان ورقه‌ای دوبعدی به‌ حساب آورد که این ورقه های دو بعدی ویژگی های بی نظیری را ایجاد می کردند که شامل رسانایی الکتریکی و گرمایی عالی ، استحکام و انعطاف پذیری و سبک بودن است. ویژگی جالب آن هم رسانایی آن است که در این موضوع حتی از مس که رساناترین فلز است بهتر عمل می کند.

ویژگی های باتری های گرافینی

در سال 2004، گرافن توسط انسانها کشف شد. گرافن به عنوان یکی از باریک ترین، قوی ترین و هدایت کننده ترین و نانومواد موجود در حال حاضر، “طلای سیاه” نام دارد. این “پادشاه مواد جدید” است. دانشمندان حتی پیش بینی کرده اند که گرافن “به طور کامل قرن بیست و یکم را تغییر خواهد داد”، و احتمالا این یک انقلاب جدید صنعتی است که کل کل توپ را برمی دارد. گرافن به طور گسترده در باتری های الکتریکی خودرو در سال 2016 استفاده می شود.

. آن‌چه موجب خاص بودن گرافین می‌شود این است که ضخامت هر لایه‌ی گرافین معادل یک اتم است. به‌عبارتی، یک ورقه‌ی گرافین را می‌توان ورقه‌ای دوبعدی به‌حساب آورد.

این ساختار دوبعدی ویژگی‌های جذابی را به‌وجود می‌آورد، از جمله رسانایی الکتریکی و گرمایی عالی، انعطاف‌پذیری زیاد، استحکام بالا و سبک بودن. در این میان، آن‌چه توجه ما را به خود جلب می‌کند، رسانایی بالای الکتریکی و گرمایی است؛ گرافین دراین‌زمینه حتی از «مس» که رساناترین عنصر فلزی است هم بهتر عمل می‌کند.

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.

یکی از ویژگی های برتر باتری های گرافینی، استفاده آن به عنوان یک ابر خازن است. ابر خازن‌ ها همانند سایر باتری‌ها، انرژی را در خود ذخیره می کنند؛ اما سرعت شارژ و تخلیه‌ی انرژی در این ابزارها فوق‌العاده بالا است. اما مشکلی که موجود است هزینه بالا تولید گرافین و تولید فراوان لایه های نازک گرافین برای استفاده در باتری ها است.

مقایسه باتری لیتیوم یونی با گرافنی

باتری های گرافینی و لیتیوم-یونی ، از دو سطح رسانا استفاده می کنند که با موادی متخلخل پوشانده شده است و در محلولی الکترولیت قرار گرفته اند. باتری های گرافینی رسانایی الکتریکی فوق العاده بالاتری از باتری های لیتیوم-یونی دارند. این مسئله رسانایی الکتریکی امکان شارژ سریع‌تر و ارائه‌ی جریان بالاتر را در اختیار باتری‌های گرافینی قرار می‌دهد.

این ویژگی فوق العاده برای باتری های موجود در خودرو ها و انتقال سریع شارژ از دستگاهی به دستگاه دیگر بسیار مفید است. رسانایی گرمایی بالاتر نیز امکان فعالیت در دمای پایین‌تر را به‌این باتری‌ها می‌دهد؛ علاوه‌بر این، در تلفن‌های همراه که فضای محدودی دارند، فعالیت در دمای پایین‌ تر موجب افزایش عمر باتری می‌شود.

باتری های گرافینی دارای وزن و ضخامت به مراتب کمتری نسبت به باتری های لیتیوم-یونی دارد. باتری‌های لیتیوم-یونی در ازای هر کیلوگرم ۱۸۰ وات در ساعت انرژی را در خود ذخیره می‌کنند؛ اما این نسبت برای باتری‌های گرافینی به ۱۰۰۰ وات در ساعت به‌ازای هر کیلوگرم می‌رسد.

مورد آخر، امنیت بالاتر باتری‌های گرافینی است. هرچند باتری‌های لیتیوم-یون از نظر ایمنی پیشینه‌ی خوبی از خود به‌جای گذاشته‌اند؛ اما در برخی موارد، محصولاتی معیوب نیز وجود داشته‌اند که مشکلاتی را ایجاد کرده‌اند. گرم شدن بیش از اندازه، شارژ کردن بیش از حد و سوراخ‌شدن باتری‌های لیتیوم-یونی موجب از بین رفتن تعادل شیمیایی و درنتیجه آتش‌سوزی می‌شود. در نقطه‌ی مقابل، گرافین پایدارتر، انعطاف‌پذیرتر و مستحکم‌تر است و مقاومت بیشتری در مقابل مشکلات ذکر‌شده دارد.

باتری‌های ترکیبی اکسید گرافین

از جمله ویژگی‌های منفی باتری‌های لیتیوم یونی می‌توان به گرم شدن بیش از اندازه، شارژ شدن بیش از حد و سوراخ شدن آن‌ها اشاره کرد که باعث از بین رفتن تعادل شیمیایی و در نتیجه آتش سوزی می‌شود. اما باتری‌های گرافینی پایدارتر، مستحکم‌تر و در عین حال انعطاف پذیرتر است.

نکته قابل توجه این است که باتری‌های لیتیوم یونی به منظور بهبود کارآیی رسانای کاتودی می‌تواند از گرافین استفاده کند؛ به این نوع باتری‌ها، باتری‌های ترکیبی اکسید گرافین فلز گفته می‌شود. باتری‌های ترکیبی در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی دارای وزن کمتر، سرعت شارژ بیشتر و ظرفیت ذخیره نیروی بیشتری است. علاوه بر این عمر آن‌ها طولانی‌تر است و انتظار می‌رود اولین باتری‌های مورد استفاده کاربران، باتری‌های ترکیبی باشد.

البته نیازی نیست که بین باتری‌های گرافینی و باتری‌های لیتیوم-یونی یکی را انتخاب کنیم. باتری‌های لیتیوم یونی می‌توانند از گرافین برای بهبود کارایی رسانای کاتودی استفاده کنند. این نوع از باتری‌ها به‌عنوان باتری‌های ترکیبی اکسید گرافین-فلز شناخته می‌شوند. باتری‌های ترکیبی وزن کمتر، سرعت شارژ بالاتر، ظرفیت ذخیره‌ی نیروی بیشتر و عمر طولانی‌تری در مقایسه با باتری‌های امروزی دارند. احتمالا اولین باتری‌های گرافینی که در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌گیرند هم از نوع ترکیبی خواهند بود.

کاربردهای باتری گرافینی

• گرافین به‌عنوان یک ماده، بسیار رسانا و انعطاف‌پذیر است و از زمان تولید آن در سال ۲۰۰۴، به‌عنوان یکی از گزینه‌های جدی برای جایگزینی باتری‌های لیتیوم-یونی مطرح شده است. باتری‌های مبتنی بر این ماده، می‌توانند ۴۵ درصد ظرفیت بیشتر و تا ۵ برابر سرعت شارژ بیشتری داشته باشند و در ضمن در رابطه با گرما هم از دوام بسیار بهتری بهره می‌برند.
• در زمینه‌ی تولید باتری، می‌توان از مزایای گرافین به اشکال مختلفی استفاده کرد. یکی از روش‌های ایده‌آل برای استفاده از گرافین به‌عنوان باتری، استفاده از آن به‌عنوان یک «ابرخازن» است. ابرخازن‌ها می‌توانند مثل باتری‌های سنتی، انرژی را در خود ذخیره کنند؛ اما سرعت شارژ و تخلیه‌ی انرژی در این ابزارها فوق‌العاده بالا است.
• اما معمای حل‌نشده در این مسیر، یافتن روشی اقتصادی برای تولید انبوه لایه‌های فوق‌نازک گرافین جهت استفاده در باتری و دیگر فناوری‌ها است. در حال حاضر، هزینه‌ی تولید گرافین سرسام‌آور است؛ اما تحقیقاتی علمی کمک خواهند کرد تا ایده‌ی استفاده از باتری‌های گرافینی به واقعیت نزدیک‌تر شود.
• در سال ۲۰۱۷، سامسونگ خبر از پیشرفت‌های اساسی در تولید باتری گرافینی داد؛ اما هنوز خبر جالب توجهی دراین‌زمینه منتشر نشده است. اخیرا نیز اخباری مبنی بر علاقه‌ی تسلا به فناوری باتری‌های گرافینی برای استفاده در خودروها منتشر شده بود.

البته ماده گرافین کاربردهای گسترده ای دارد که در ادامه به بررسی آن ها می پردازیم. گرافن به علت انرژی سطحی بسیار بالای آن و آزاد بودن الکترون Π، خواص و ویژگی هایی از خود ارائه می دهد که منجر به کاربردهای منحصر به فردی می شود. در ادامه به معرفی برخی کاربردهای گرافن در ساختارهای کربنی خواهیم پرداخت.

1- خودروهای الکتریکی

در سال 2016، باتری گرافین یک کلمه محبوب در صنعت خودرو الکتریکی است. بسیاری از مردم دقیقا متوجه نیستند که یک باتری گرافین چیست. در واقع، باتری گرافین یک باتری انرژی جدید است که توسط حرکت شاتل سریع بین سطح شي مکسي و الکترود ساخته شده است.

2- باتری های قلمی

باتری قلمی، به عنوان یک رهبر در باتری های با کیفیت بالا و با دوام، نسل جدیدی از باتری های گرافین را توسعه داده است. تکنولوژی طلای سیاه برای تولید باتری استفاده می شود. یکپارچه سازی واقعی گرافن و باتری باعث افزایش دوام باتری های قدرت و افزایش عمر محصول خواهد شد.

مشکلات مانند خرابکاری، عمر کوتاه و آسان برای بسته شدن در گذشته حل شده است. اما نگران کننده است که باتری های گرافیکی پرچم دار در بازار نیز وجود دارد و نقاط روشن به نظر می رسد تا محصولات خود را تبلیغ کنند. انواع وسیله ای برای جذب چشم مصرف کنندگان، بلکه جذب مصرف کنندگان برای خرید این باتری های به اصطلاح گرافین می باشد.

3- ترانزیستور گرافن

قابلیت تحرک ذرات باردار بر روی گرافن بسیار زیاد است. این خاصیت را موبیلیتی می نامند که بدلیل موبیلیتر زیاد، گرافن یک ابر رسانای بسیار قدرتمند است که می تواند برای ساخت ترانزیستورها مورد استفاده قرار بگیرد.

4- کاربردهای الکترونوری گرافن

یکی از حوزه هایی که گرافن در آن کاربرد زیادی دارد و در آینده گرافن کاربرد صنعتی زیادی در آن خواهد داشت، کاربردهای الکترونوری است. بویژه در صفحات لمسی، نمایشگرهای کریستال مایع(LCD) و دیودهای نوری آلی(OLED). موادی که در الکترونوری مورد استفاده قرار می گیرند، باید قابلیت عبور بیش از 90 نور را داشته باشند.

همچنین این مواد باید دارای رسانایی الکتریکی خیلی بالایی باشند. گرافن با شفافیت 97 درصد و رسانایی الکتریکی بسیار بالا، برای کاربردهای الکترونوری گزینه خیلی مناسبی است.

5- کاربرد گرافن در ساخت کامپوزیت مقاوم در هوافضا

گرافن، سخت، بسیار محکم و سبک است. همین موضوع هم آنرا به گزینه بسیار مناسبی برای استفاده در صنعت هوافضا تبدیل کرده است. امروزه از فناوری نانو در صنعت هوافضا استفاده می شود اما گرافن هم گزینه بسیار مناسبی برای استفاده است. با پوشش دادن گرافن بر سطح فضاپیما یا هواپیما، میتوان از هواپیما در مقابل رعد و برق و یا امواج الکتریکی محافظت کرد. از گرافن و استحکام آن، میتواند در بسیاری از کامپوزیت های دیگر نیز برای افزایش استحکام و مقاوت مکانیکی استفاده کرد.

6- استفاده از گرافن به عنوان حامل دارو

با افزایش انحلال پذیری گرافن یا اکسید گرافن از طریق استفاده از پلیمرهای عامل دار ، از آن برای دارورسانی استفاده می شود. به طور کلی نانودارو ها بسیار در رهایش دارو مورد استفاده قرار می گیرند.

7- گرافن در مهندسی پزشکی

گرافن بدلیل سطح زیاد، رسانایی بالا، نازکی و استحکام، به احتمال بسیار زیاد در آینده در حوزه مهندسی پزشکی کاربردهای بسیار خواهد یافت. از گرافن می توان برای بهبود بخشیدن به حسگرهای زیستی استفاده کرد. تنها مشکلی که همچنان برای استفاده از گرافن در پزشکی وجود دارد، اثبات سالم بودن آن برای بدن است.

8- کاربرد گرافن در فیلترسازی

ساختار گرافن به صورتی است که مولکولهای آب می توانند از آن عبور کنند ولی به سایر مایعات و گازها به سادگی اجازه عبور نمی دهد. به همین دلیل هم می توان از آن برای کابردهای تصفیه استفاده کرد. گرافن می تواند دز سیستم های تصفیه آب و آب شیرین کن مورد استفاده قرار بگیرد.

9- استفاده از گرافن در ذخیره انرژی

یکی از چالش های صنعت، استفاده بهینه از خازن ها و باتری ها است. مشکلی که وجود دارد، زمان بسیار طولانی مورد نیاز برای شارژ شدن باتری است. امروزه استفاده از گرافن به عنوان آند در باتری های لیتیوم یونی جهت افزایش طول عمر باتری ها، افزایش ذخیره انرژی و قابلیت سریع شارژ شدن، به شدت مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.

استفاده از گرافن در سایر کاربردها

گرافن کاربردهای بسیار زیاد دیگری نیز دارد. از گرافن می توان به عنوان روانکننده نیز استفاده کرد. دوام گرافن در روانکنندگی نسبت به گرافیت های قدیمی نیز خیلی بیشتر است. از پوشش گرافن می توان برای ضد آب کردن دستگاه ها یا تجهیزات نیز استفاده نمود. گرافن رسانایی حرارتی بسیار بالایی نیز دارد و به همین دلیل است که می توان از آنها در خنک کننده استفاده کرد. آنها به سرعت حرارت را انتقال می دهند.

ماده گرافن نسل جدید باطری های خودرو

ماده‌ی جدید سامسونگ می‌تواند کشفی بزرگ در فناوری باطری ماشین باشد که بسیاری مدت‌ها است که در انتظار آن هستند؛ چرا که برای دهه‌ها است که فناوری باتری تغییر چندانی نداشته است. باتری‌های لیتیوم یونی، انرژی مورد نیاز بسیاری از وسایل ما، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی را تأمین می‌کنند. باتری‌ها نقشی اساسی در بازسازی شبکه‌ی انرژی دارند.

باتری های گرافینی در گوشی های هوشمند

باتری های گوشی های هوشمند امروزه پیشرفت چشمگیری داشتند. اما چیزی که علاقه مندان این دسته برایشان مهم است عمر بیشتر باتری های گوشی است. این یک چیز شگفت انگیز است که با یک بار شارژ کردن گوشی خود ، 2 تا 3 روز نیازی به شارژ کردن مجدد نباشد. حال فکر کنید که تا یک هفته شارژ نگه دارد!

باتری های گرافینی در دستگاه‌های ما مورد استفاده قرار نمی‌گیرند؛ اما خوشبختانه فناوری مربوطه در حال پیشرفت است. در آینده، باتری‌های گرافینی ممکن است جایگزین باتری‌ های لیتیوم یونی در حال حاضر موجود در دنیا شوند، باتری‌های که دنیای فناوری شدیدا به آن‌ها وابسته است.

فناوری باتری‌های گرافینی، برای مدت طولانی در حال طی کردن مسیر تکامل است؛ اما به‌نظر می‌رسد در حال نزدیک شدن به نقطه‌ی پایانی این مسیر هستیم. هرچند تا تجاری‌سازی این فناوری فاصله داریم.

مزیت باتری های گرافینی

گوشی های هوشمندی که در آینده از باتری های گرافینی بهره ببرند، از مزایایی که یاد شد بهره خواهند برد.

• زمان شارژ کمتر
• و دوام شارژ طولانی مدت
• سبک و باریک بودن دستگاه ها
• ظرفیت بیشتر باتری ها

از نتایج آن است. البته که ظرفیت باتری‌های گرافینی، در مقایسه با نمونه‌های لیتیوم-یونی با اندازه‌ی مشابه، ۶۰ درصد بیشتر خواهد بود و به‌ واسطه‌ی دفع بهتر حرارت که موجب خنک ماندن دستگاه می‌شود، عمر گوشی‌ها نیز بیشتر می‌شود. دیگر لازم نخواهد بود تا پس از مدتی، هزینه‌ی بالایی برای تعویض باتری پرداخت کنید و کارایی دستگاه‌ها پس از گذشت زمان کاهش پیدا نمی‌کند.

به‌لطف باتری‌های گرافینی، دستگاه‌هایی با اندازه‌ی دستگاه‌های کنونی، طرفیت ذخیره‌ی نیروی بیشتری خواهند داشت. یکی از فوائد استفاده از باتری‌های گرافینی، شارژ سریع بین دو دستگاه خواهد بود. باتری‌هایی که از انتقال جریان بیشتر پشتیبانی می‌کنند، امکان شارژ بسیار سریع‌تر را هم فراهم می‌کنند. از این رو، می‌توان با سرعت بالا نیرو را از دستگاهی به دستگاه دیگر منتقل کرد.

اگرچه چندین سال تا آماده شدن باتری های گرافینی برای گوشی های موبایل فاصله داریم اما این نو آوری میتواند تاثیری دو چندان بر آینده باتری ها و استفاده کاربران داشته باشد.

سخن پایانی

در این مقاله سعی شد تمام موضوعات مربوط به ماده گرافن و باطری گرافینی را با شما در میان بگذارد. امیدواریم که برای شما عزیزان مفید بوده باشد. لطفا اگر اطلاعات بیشتری در مورد این نوع باتری ها دارید در اختیار دوستان قرار دهید( در فرم زیر به اشتراگ بگذارید.) همچنی با پرسیدن سوالات، از پاسخ دقیق تیم همیشه در دسترس کیان باتری، بهره مند شوید.