به زودی باتری‌ های گرافنی کیفیت را بهبود می بخشند

فناوری باتری های تلفن همراه امروزه خوب است. اما واقعیت اینست که برای نیاز کاربران کافی نیست.در سالهای اخیر اگر گوشی های ما برای چند روز کامل استفاده سنگین و تنها با یک بار شارژ دوام بیاورند کمتر از معجزه نیست.با ابرخازن گرافن امکان تبدیل این رویا به واقعیت وجود دارد. خازن های گرافنی جایگزین بهتری برای باتری تلفن همراه خواهند بود. باتری‌های گرافنی هنوز به تلفن‌های هوشمند و سایر گجت‌ها انرژی نمی‌دهند، اگرچه شایعه شده است که سامسونگ چیزی در دست ساخت دارد. در آینده، گرافن می‌تواند ماده‌ای باشد که جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی شود که صنعت فناوری برای دهه‌ها به آن‌ها متکی بوده است.

 گرافن چیست؟

گرافن ترکیبی از اتم های کربن است که در ساختاری شش ضلعی یا لانه زنبوری به طور محکم متصل شده اند. چیزی که گرافن را بسیار متفاوت می کند این است که این ساختار تنها یک لایه هسته ای ضخامت دارد و اساساً یک صفحه گرافن را دو بعدی می کند. این ساختار دوبعدی خواص فوق‌العاده جالبی از جمله هدایت الکتریکی و گرمی باورنکردنی، سازگاری بالا، استحکام بالا و وزن کم ایجاد می‌کند. 

از آنجایی که گرافن یک مولکول همه کاره با بسیاری از خواص منحصر به فرد و مطلوب است، می توان آن را به روش های مختلفی مورد استفاده قرار داد.

ابرخازن گرافنی چیست؟

در مورد باتری ها، می توان از توانایی های گرافن به روش های مختلفی استفاده کرد. بهترین استفاده از گرافن به عنوان باتری به عنوان یک "ابر خازن" است. ابرخازن‌های گرافنی مانند باتری‌های معمولی جریان را ذخیره می‌کنند، اما می‌توانند به سرعت شارژ و آزاد شوند.

ترفند حل‌نشده گرافن این است که چگونه می‌توان ورقه‌های فوق‌العاده نازک را برای استفاده در باتری‌ها و سایر فناوری‌ها از نظر اقتصادی تولید کرد. هزینه های تولید در حال حاضر بسیار بالاست، اما تحقیقات به ممکن شدن این امر کمک می کند.

ابرخازن‌های گرافنی می‌توانند سریع‌تر از آنچه در تلفن‌های همراه پیش‌بینی می‌شد فرود بیایند تا باتری گوشی را جایگزین کنند. شرکت آمریکایی Real Graphene گزارش می دهد که در حال آماده شدن برای معرفی این فناوری به تولید کنندگان تلفن همراه است. آزمایش‌ها حتی توسط تولیدکنندگان که نام آنها ارائه نشده است، آزمایش می‌شوند. این شرکت در حال حاضر یک باتری گرافن خارجی می فروشد.ابرخازن‌ها باتری‌هایی را قادر می‌سازند که عمر طولانی‌تری داشته باشند و تقریباً بلافاصله شارژ شوند.

باتری گرافنی چیست؟

باتری گرافنی دارای یک رکورد ماندگاری است. می تواند تا 1500 چرخه شارژ را پشت سر بگذارد در حالی که محدوده  باتری های فعلی 300 و 500 سیکل شارژ است. این باتری ها با قدرت شارژ معادل، گرمای کمتری نسبت به باتری های لیتیومی تولید می کنند. در نهایت، روش انتخاب شده توسط Real Graphene از مزایای قابل توجه دیگری برخوردار است. سازندگان باتری های لیتیوم یونی برای تولید آن نیازی به تغییر تجهیزات ندارند.

در زمینه باتری ها، مواد الکترود باتری معمولی زمانی که با گرافن تقویت شوند، به طور قابل توجهی بهبود می یابند. باتری گرافن می تواند سبک، بادوام و مناسب برای ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و همچنین کوتاه کردن زمان شارژ باشد. گرافن عمر باتری و همچنین رسانایی را افزایش می‌دهد.

به تدریج قابلیت تجاری شدن قابل لمس تر می‌شود، اما هنوز از پذیرش جریان اصلی باتری‌های گرافن فاصله داریم. اگرچه ارزان‌تر است، اما جایگزین‌های کامپوزیتی گرافن سریع‌تر به بازار راه پیدا می کنند.

گرافن در مقایسه با لیتیوم یون

درست مانند باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion)، سلول‌های گرافن از دو صفحه رسانا استفاده می‌کنند که با یک ماده متخلخل پوشیده شده و در محلول الکترولیت غوطه‌ور شده‌اند. اما در حالی که ساختار داخلی آنها کاملا مشابه است، این دو باتری ویژگی های متفاوتی را ارائه می دهند.

گرافن رسانایی الکتریکی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی دارد که در سلول هایی با شارژ سریع منجر به  جریان‌های بسیار بالا می شود. رسانای الکتریکی بالا به ویژه برای باتری های ماشین با ظرفیت بالا،  یا شارژ سریع دستگاه به دستگاه مفید است. رسانایی حرارتی بالا همچنین به این معنی است که باتری‌ها خنک‌تر کار می‌کنند و طول عمر آن‌ها را حتی در موارد فشرده مانند گوشی‌های هوشمند نیز افزایش می‌دهد.

باتری‌های گرافن نیز سبک‌تر و باریک‌تر از سلول‌های لیتیوم یون امروزی هستند. این به معنای دستگاه های کوچکتر و نازک تر یا ظرفیت های بزرگتر بدون نیاز به فضای اضافی است. علاوه بر این، گرافن ظرفیت های بسیار بالاتری را امکان پذیر می کند. لیتیوم یون تا 180 وات ساعت انرژی در هر کیلوگرم ذخیره می کند در حالی که گرافن می تواند تا 1000 وات ساعت در هر کیلوگرم انرژی ذخیره کند.

در نهایت، گرافن ایمن تر است. در حالی که باتری‌های لیتیوم یون سابقه ایمنی بسیار خوبی دارند، چند اتفاق مهم مربوط به محصولات معیوب رخ داده است. گرمای بیش از حد، شارژ بیش از حد، و سوراخ شدن می تواند باعث عدم تعادل شیمیایی فرار در باتری های لیتیوم یون شود که در نتیجه آتش سوزی را به دنبال خواهد داشت. گرافن بسیار پایدارتر، انعطاف پذیرتر و قوی تر است و در برابر چنین مسائلی انتظار می رود بتواند نتیجه بهتری را نشان دهد .

در سال 2016، هواوی از باتری لیتیوم یونی جدید با گرافن رونمایی کرد که از گرافن برای عملکرد در دمای بالاتر (60 درجه بر خلاف محدودیت 50 درجه فعلی) استفاده می کند و زمان کارکرد را دو برابر می کند. گرافنی که در این باتری استفاده شد به منظور دفع بهتر گرما بودو  توانست دمای کارکرد باتری را تا 5 درجه کاهش دهد.

در سال 2017، سامسونگ اعلام کرد که محققانش یک ماده "توپ گرافنی" ساخته اند که سرعت شارژ را 5 برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون استاندارد می کند. اخیراً مشخص شد که تسلا همچنین به فناوری باتری های خودرو علاقه مند است. به طور مشابه، خودروساز چینی GAC در حال برنامه ریزی برای نصب فناوری باتری گرافنی در اولین وسیله نقلیه خود در سپتامبر 2021 است و همانطور که مشخص است اشتیاق فزاینده ای در مورد محدوده بالقوه ارائه شده توسط سلول های آلومینیوم-یون گرافن وجود دارد.

شرکت‌ها در سرتاسر جهان (از جمله سامسونگ، هواوی و دیگران) در حال توسعه انواع باتری‌های تقویت‌شده با گرافن هستند که برخی از آنها اکنون وارد بازار شده‌اند.