آشنایی با ساختار باتری های گرافنی /گرافن جایگزین لیتیوم یونی

دستگاه های تلفن همراه مدت های زیادی است که با استفاده از باتری لیتیم یون ساخته می‌شوند و پیشرفت این باتری ها نسبت به سایر اجزا سخت تر بوده است. در چند ماه گذشته خبرهایی درباره باتری جدید طراحی شده که می‌تواند جایگزین سلول‌های لیتیم یون در تلفن‌های ما شود شنیده شد، اما هیچ کدام آن‌ها هنوز عملی نشده اند.

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری از سمنان؛  نانوتکنولوژی مکمل و پایه سایر تکنولوژی ها محسوب شده و بعنوان اولویت اول تحقیقات و انتقال تکنولوژی از بخش تحقیقات به صنعت در برنامه توسعه بسیاری از کشورها دنیا قرار گرفته است این تکنولوژی کاربردهای وسیعی را در حوزه های مختلف از جمله پزشکی، غذایی، بیوتکنولوژی، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات حمل و نقل، انرژی، برق، محیط زیست ، مواد، هوافضا، نظامی و... به خود اختصاص داده است.

در این میان نقش نانو تکنولوژی در بخش انرژی اعم از بهبود در تبدیل انرژی و ذخیره سازی و همچنین محیط زیست به ویژه از نقطه نظر مواد مورد استفاده از اهمیت بسزایی برخوردار است در این مقاله تاثیر استفاده از گرافن بعنوان موادی با خاصیت رسانندگی حرارتی و الکتریکی بالا که با افزایش مساحت سطح فعال و تطبیق تغییرات حجمی نمونه ناشی از فرایند شارژ/ دشارژ با کاهش مقاومت داخلی و افزایش ظرفیت ویژه باتری بسیار حایز اهمیت هستند، مورد بررسی قرار گرفته و به بررسی کاربرد این ماده که یکی از معروفترین نانو ساختارهای کربن در تهیه آند باتری های لیتیم یون است، پرداخته می شود.

دستگاه های تلفن همراه مدت های زیادی است که با استفاده از باتری لیتیم یون ساخته می‌شوند و پیشرفت این باتری ها نسبت به سایر اجزا سخت تر بوده است. در چند ماه گذشته خبرهایی درباره باتری جدید طراحی شده که می‌تواند جایگزین سلول‌های لیتیم یون در تلفن‌های ما شود شنیده شد، اما هیچ کدام آن‌ها هنوز عملی نشده اند. شاید پژوهش جدید منتشر شده توسط سامسونگ به ما در آینده کمک کند. مطابق با گزارش سامسونگ، توپ های گرافنی می‌توانند ظرفیت باتری را تا ۴۵% افزایش دهند و سرعت شارژ را تا ۵۰۰% بهبود دهند.

اساس باتری ها

باتری‌ها در واقع منبع انرژی موبایل 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. 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.

انواع باتری‌ها و مشخصات آن‌ها

باتری‌ها به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند: اصلی و ثانویه. باتری‌های اصلی (از بین رفتنی) یک بار و تا زمانی ‌که مواد الکترود داخل آن‌ها در زمان شارژ به ‌طور معکوس در حال تغییر هستند کار می‌کنند. متداول‌ترین آن‌ها باتری زینک-کربن و باتری آلکالاین است که در اسباب‌بازی‌ها، چراغ‌های قوه و تعداد زیادی از دستگاه‌های پرتابل استفاده می‌شود. باتری‌های ثانویه (قابل شارژ) تا زمانی‌ که ترکیب اصلی الکترودها قادر به ‌کار باشد، می‌توانند چندین بار شارژ و دشارژ شوند. باتری‌های سرب-اسید که در خودروها استفاده می‌شوند و باتری‌های لیتیوم-یون که در دستگاه‌های الکترونیکی پرتابل استفاده می‌شوند، از این دسته از باتری‌ها هستند.

باتری‌ها برای اهداف و کاربردهای مختلف در شکل‌ها و اندازه‌های گوناگون تولید می‌شوند. وجود انواع مختلف باتری‌ها به‌منزله مزیت‌ها و معایب گوناگون آن‌ها است. باتری‌های نیکل-کادمیوم (NiCd) تراکم پایینی از انرژی دارند و در جاهایی استفاده می‌شوند که طول عمر بیشتر، سرعت دشارژ بالاتر و قیمت مناسب از اهمیت بیشتری برخوردار است. این ‌گونه باتری‌ها در دوربین‌های فیلم‌برداری و ابزار برقی دیده می‌شوند. باتری‌های NiCd حاوی مواد سمی هستند و به محیط ‌زیست آسیب می‌رسانند. باتری‌های هیدرید نیکل-متال تراکم انرژی بیشتری نسبت به NiCd دارند، اما چرخه حیات آن‌ها کوتاه‌تر است. کاربرد آن‌ها در گوشی‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها است. باتری‌های سرب-اسید سنگین هستند و در کاربردهای برقی بزرگ نقش مهمی را ایفا می‌کنند، زیرا در این مکان‌ها وزن اهمیت چندانی ندارد اما قیمت حرف اول را می‌زند. این باتری‌ها بیشتر در تجهیزات بیمارستانی و چراغ‌های اورژانس استفاده می‌شوند.

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.

گرافن؛ ماده شگفت انگیز

گرافن یک لایه از اتم‌های کربن است که به‌صورت الگویی از شبکه لانه زنبور به‌ یکدیگر متصل هستند. محبوبیت بسیار زیاد گرافن که از آن با نام «ماده شگفت‌آور» یاد می‌شود، به‌دلیل ویژگی‌های اعجاب‌آور بی‌شمار آن است. این ماده یک رسانای قدرتمند انرژی الکتریکی و گرمایی، فوق‌العاده سبک با نیروهای شیمیایی و کاملاً انعطاف‌پذیر با سطح بسیار بزرگ است. از طرف دیگر، گرافن یک ماده پایدار و سازگار با محیط ‌زیست است و توانایی‌های نامحدودی برای کاربردهای فراوان دارد.

گرافن در پیشرفت مواد بسیار موثر است زیرا این ماده استثنایی است و حتی یک جایزه نوبل نیز بدست آورده است. گرافن یک شبکه شش ضلعی از اتم کربن است که یک اتم ضخامت دارد. گرافن دارای پایداری بالا، هدایت حرارتی بالا است و می‌تواند به عنوان نیمه رسانا استفاده شود. در این مورد محققان به آسانی از سیلیکای موجود برای فرایند تبدیل گرافن به شبکه سه بعدی از توپ‌های فوق الذکر استفاده کرده است. توپ‌های گرافنی به عنوان لایه های محافظ بر روی آند و کاتد باتری استفاده می‌شوند و این چیزی است که اجازه می دهد ظرفیت شارژ و سرعت شارژ افزایش پیدا کنند.

افزودن گرافن قادر است تا ظرفیت باتری های تلفن های هوشمند را تا ۵۰۰۰-mAh6000 برساند، که قبلا فقط در دستگاهای بزرگتر مانند تبلت مشاهده می‌شد. سامسونگ می‌گوید که باتری توپ گرافنی قادر است در مقایسه با شارژ کامل باتری در ۱ ساعت، باتری را در ۱۲ دقیقه شارژ کامل کند. البته زمان شارژ برای یک باتری که ظرفیت بالاتری دارد کمی بیشتر میشود.

محبوبیت بسیار زیاد گرافن که از آن با نام «ماده شگفت‌انگیز» یاد می‌شود، به‌دلیل ویژگی‌های اعجاب‌آور بی‌شمار آن است. این ماده یک رسانای قدرتمند انرژی الکتریکی و گرمایی، فوق‌العاده سبک با نیروهای شیمیایی، کاملاً انعطاف‌پذیر با سطح بسیار بزرگ است.

 باتری های آزمایشی جدید توسط موسسه پیشرفت سامسونگ با همکاری محققان در دانشگاه ملی سئول توسعه یافته اند. این تکنولوژی باتری به چند دلیل قابل توجه است. دلیل اول این که به بررسی سرعت شارژ و ظرفیت می‌پردازند. بسیاری از باتری‌های آزمایشی در یک یا چند مورد خوب هستند. دلیل دوم این که مواد مورد نیاز برای باتری غیر عادی و گران نیستند. در نهایت سامسونگ معتقد است که می‌تواند توپ‌های گرافنی را به باتری بدون تجهیز کردن امکانات کارخانه ها خود ترکیب کند.

مواد الکترود باتری‌های مرسوم وقتی با گرافن ترکیب ‌شوند به‌شدت بهینه می‌شوند. گرافن باعث تولید باتری‌هایی می‌شود که سبک و مقاوم و برای ذخایر انرژی با ظرفیت بالا مناسب هستند. همچنین، گرافن باعث کاهش زمان شارژ می‌شود. همان‌ طور که می‌دانید پوششی از کربن روی این مواد قرار می‌گیرد یا به ‌الکترودها اضافه می‌شود تا قابلیت رسانایی آن‌ها افزایش پیدا کند، اما این لایه کربن باعث کاهش طول عمر باتری می‌شود. استفاده از گرافن در باتری باعث می‌شود تا دیگر نیازی به کربن نباشد و به ‌این ترتیب، رسانایی باتری بیشتر می‌شود و از طرف دیگر، طول عمر باتری هم افزایش پیدا 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.

علاوه بر این، یکی از یافته‌های جدید نشان می‌دهد که ساخت و تولید مواد هیبریدی برای تقویت باتری‌ها تأثیر بسزایی دارد. به ‌عنوان مثال، ترکیب گرافن و اکسید وانادیوم می‌تواند برای کاتدهای Li-ion استفاده شود تا شارژ و دشارژ باتری سریع‌تر انجام شود و از طرف دیگر مقاومت آن در برابر چرخه‌های شارژ بیشتر شود. در این مثال، اکسید وانادیوم (VO2) ظرفیت بالایی از انرژی را ارائه می‌دهد اما در مقابل قابلیت رسانای الکتریکی آن بسیار ضعیف است. اما این مشکل به‌ کمک استفاده از گرافن به‌عنوان یک بک‌بن ساختاری حل می‌شود.

باتری‌های LFP (فسفات لیتیوم آهن) مثال دیگری از این روش هستند. این باتری در واقع همان لیتیوم یون اما با قابلیت شارژ مجدد است. میزان تراکم انرژی آن نسبت به سایر باتری‌های Li-ion پایین‌تر است، اما تراکم توان آن بیشتر است (یعنی میزان انرژی که می‌تواند به‌ باتری تزریق شود). تقویت کاتدهای LFP به ‌کمک گرافن باعث می‌شود تا این باتری‌ها سبک باشند، سرعت شارژ آن‌ها نسبت به باتری‌های Li-ion بیشتر باشد و نسبت به‌ باتری‌های مرسوم LFP ظرفیت بیشتری داشته باشند. یک مورد دیگر که باعث انقلابی بزرگ در بازار باتری‌ها شده است، ترکیب باتری‌های گرافن با ابرخازن‌ها است که می‌تواند نتایج فوق‌العاده‌ای ‌همراه داشته باشد. مهم‌ترین کاربرد آن در افزایش میزان مسافتی است که خودروهای الکتریکی با یک بار شارژ طی می‌کنند.

سامسونگ؛رونمایی از باتری های گرافنی در آینده

شرکت سامسونگ مدت‌هاست که روی ساخت باتری گرافنی کار می‌کند و اخیراً پتنتی هم در این حوزه آماده‌ عرضه دارد. این شرکت قصد دارد این فناوری گرافنی را جایگزین باتری‌های یون لیتیم کند. با استفاده از این فناوری می‌توان شارژ باتری‌ها را ۴۵ درصد افزایش داد.

استفاده از گرافن در باتری مزایای دیگری نیز دارد؛ از جمله این مزایا می‌توان به کاهش زوال باتری اشاره کرد، به‌طوری که باتری‌های حاوی گرافن دوام بالاتری نسبت به باتری یون لیتیوم دارند.

گرافن دارای رسانایی بالایی است در نتیجه می‌تواند هدایت الکتریکی در باتری را نیز افزایش دهد که با این کار شارژ باتری سریع‌تر اتفاق می‌افتد. گرافن پایداری بالاتری نسبت به لیتیوم دارد؛ بنابراین باتری‌های گرافنی احتمال انفجار بسیار کمی خواهند داشت و برای استفاده در تلفن‌های همراه مناسب‌تر هستند.

در حال حاضر تولید باتری گرافنی هزینه‌ بالایی دارد، اما اگر صنعت تصمیم به استفاده از این ماده بگیرد، هزینه کاهش خواهد یافت و تمام تولیدکنندگان باتری‌ به استفاده از گرافن در باتری‌های لیتیومی خواهند پرداخت.

سامسونگ قصد دارد تلفن همراه حاوی باتری گرافنی را تولید و به بازار عرضه ‌کند. احتمالاً این محصول سال آینده وارد بازار شود. اگر این امر اتفاق ‌افتد، می‌توان گفت که گلکسی S۱۰ از نظر عملکرد باتری نسبت به دیگر رقبا جلوتر خواهد بود.

چندی پیش شرکت هواوی از سامانه‌ خنک‌کننده‌ گرافنی در تلفن‌های همراه خود استفاده کرد. پیشینه‌ استفاده از گرافن در تلفن‌های همراه به سال ۲۰۱۶ باز می‌گردد. در آن سال هواوی اعلام کرد که به فناوری باتری یون لیتیوم مقاوم در برابر گرما دست یافته است که در تولید این باتری از گرافن استفاده شده‌است؛ این خبر در سمپوزیم باتری ژاپن اعلام شد. آنچه هواوی به آن دست یافته بود، سامانه‌ای بود که به باتری یون لیتیوم اجازه می‌داد تا در دمای بالاتر کار کند. در باتری‌های رایج دمای ۵۰ درجه قابل تحمل است، اما زمانی که هواوی از گرافن در باتری استفاده کرد، دمای کارکرد تا ۶۰ درجه بالا رفت. این شرکت اعلام کرد که گرافن موجب افزایش طول عمر باتری تا دو برابر می‌شود.