بطاريات الجرافين: مقدمة وأخبار السوق | الجرافين المعلومات

الجرافين والبطاريات

يُعرف الجرافين ، وهو عبارة عن شريحة من ذرات الكربون مرتبطة ببعضها البعض في نمط شبكي على شكل خلية نحل ، على نطاق واسع بأنه "مادة عجيبة" نظرًا لعدد لا يحصى من الصفات المذهلة التي يحملها. إنه موصل قوي للطاقة الكهربائية والحرارية ، وخفيف الوزن للغاية وخامل كيميائيًا ، ومرن مع مساحة سطح كبيرة. كما أنه يعتبر صديقًا للبيئة ومستدامًا ، مع إمكانيات غير محدودة للعديد من التطبيقات.

مزايا بطاريات الجرافين

في مجال البطاريات ، تم تحسين مواد قطب البطارية التقليدية (والمواد المتوقعة) بشكل ملحوظ عند تعزيزها باستخدام الجرافين. يمكن أن تكون بطارية الجرافين خفيفة ومتينة ومناسبة لتخزين الطاقة عالية السعة ، فضلاً عن تقصير أوقات الشحن. سوف يطيل عمر البطارية ، والذي يرتبط سلبًا بكمية الكربون المطلية على المادة أو المضافة إلى الأقطاب الكهربائية لتحقيق الموصلية ، ويضيف الجرافين الموصلية دون الحاجة إلى كميات الكربون المستخدمة في البطاريات التقليدية.

يمكن للجرافين تحسين سمات البطارية مثل كثافة الطاقة وتتشكل بطرق مختلفة. يمكن تحسين بطاريات Li-ion (وأنواع أخرى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن) عن طريق إدخال الجرافين في أنود البطارية والاستفادة من موصلية المادة وخصائص مساحة السطح الكبيرة لتحقيق الأداء الأمثل والأداء المورفولوجي.

تم اكتشاف أن إنشاء مواد هجينة يمكن أن يكون مفيدًا أيضًا لتحقيق تحسين البطارية. هجين من أكسيد الفاناديوم (VO²) والجرافين ، على سبيل المثال ، يمكن استخدامها على كاثودات Li-ion ومنح الشحن والتفريغ السريع بالإضافة إلى متانة دورة الشحن الكبيرة. في هذه الحالة ، VO² يوفر قدرة عالية للطاقة ولكن توصيل كهربائي ضعيف ، والذي يمكن حله باستخدام الجرافين كنوع من "العمود الفقري" الهيكلي الذي يتم إرفاق VO عليه² - صنع مادة هجينة تتمتع بقدرة عالية وموصلية ممتازة.

مثال آخر هو بطاريات LFP (فوسفات حديد الليثيوم) ، وهي نوع من بطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن. تتميز بكثافة طاقة أقل من بطاريات Li-ion الأخرى ولكن كثافة طاقة أعلى (مؤشر لمعدل توفير الطاقة بواسطة البطارية). سمح تعزيز كاثودات LFP باستخدام الجرافين للبطاريات بأن تكون خفيفة الوزن وشحن أسرع بكثير من بطاريات Li-ion ولديها سعة أكبر من بطاريات LFP التقليدية.

بالإضافة إلى إحداث ثورة في سوق البطاريات ، الاستخدام المشترك لبطاريات الجرافين والجرافين المكثفات الفائقة يمكن أن تسفر عن نتائج مذهلة ، مثل المفهوم الملحوظ لتحسين مدى قيادة السيارة الكهربائية وكفاءتها. في حين أن بطاريات الجرافين لم تصل بعد إلى تسويق واسع النطاق ، فقد تم الإبلاغ عن اختراقات في البطاريات في جميع أنحاء العالم.

أساسيات البطارية

تعمل البطاريات كمصدر متنقل للطاقة ، مما يسمح للأجهزة التي تعمل بالكهرباء بالعمل دون توصيلها مباشرة بمأخذ الطاقة. في حين أن العديد من أنواع البطاريات موجودة ، يظل المفهوم الأساسي الذي تعمل من خلاله متشابهًا: تقوم خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر بتحويل الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية. عادة ما تكون البطارية مصنوعة من غلاف معدني أو بلاستيكي ، يحتوي على طرف موجب (أنود) ، وطرف سالب (كاثود) وإلكتروليتات تسمح للأيونات بالانتقال بينها. ينشئ الفاصل (غشاء بوليمري منفذ) حاجزًا بين الأنود والكاثود لمنع الدوائر الكهربائية القصيرة مع السماح أيضًا بنقل ناقلات الشحنة الأيونية اللازمة لإغلاق الدائرة أثناء مرور التيار. أخيرًا ، يتم استخدام المجمع لإجراء الشحن خارج البطارية من خلال الجهاز المتصل.

عند اكتمال الدائرة بين المحطتين ، تنتج البطارية الكهرباء من خلال سلسلة من التفاعلات. يتعرض القطب الموجب لتفاعل أكسدة يتحد فيه اثنان أو أكثر من الأيونات من الإلكتروليت مع القطب الموجب لإنتاج مركب ، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات. في الوقت نفسه ، يمر الكاثود بتفاعل اختزال تتحد فيه مادة الكاثود والأيونات والإلكترونات الحرة في مركبات. ببساطة ، ينتج تفاعل الأنود إلكترونات بينما يمتصها التفاعل في الكاثود ومن هذه العملية يتم إنتاج الكهرباء. ستستمر البطارية في إنتاج الكهرباء حتى نفاد المواد الضرورية من الأقطاب الكهربائية لتوليد التفاعلات.

أنواع البطارية وخصائصها

تنقسم البطاريات إلى نوعين رئيسيين: أساسي وثانوي. تستخدم البطاريات الأولية (التي يمكن التخلص منها) مرة واحدة وتصبح عديمة الفائدة حيث تتغير مواد القطب الكهربائي فيها بشكل لا رجعة فيه أثناء الشحن. الأمثلة الشائعة هي بطارية الزنك والكربون وكذلك البطارية القلوية المستخدمة في الألعاب والمصابيح اليدوية والعديد من الأجهزة المحمولة. البطاريات الثانوية (قابلة لإعادة الشحن) ، يمكن تفريغها وإعادة شحنها عدة مرات حيث أن التركيب الأصلي للأقطاب الكهربائية قادر على استعادة وظائفه. تشمل الأمثلة بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في المركبات وبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في الإلكترونيات المحمولة.

تأتي البطاريات بأشكال وأحجام مختلفة لأغراض مختلفة لا حصر لها. تعرض أنواع مختلفة من البطاريات مزايا وعيوب متنوعة. تعد بطاريات النيكل والكادميوم (NiCd) منخفضة نسبيًا في كثافة الطاقة وتُستخدم حيث يكون العمر الطويل ومعدل التفريغ المرتفع والسعر الاقتصادي أمرًا أساسيًا. يمكن العثور عليها في كاميرات الفيديو والأدوات الكهربائية ، من بين استخدامات أخرى. تحتوي بطاريات NiCd على معادن سامة وهي غير صديقة للبيئة. تتميز بطاريات هيدريد النيكل والمعدن بكثافة طاقة أعلى من بطاريات NiCd ، ولكن لها أيضًا دورة حياة أقصر. تشمل التطبيقات الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. بطاريات الرصاص الحمضية ثقيلة وتلعب دورًا مهمًا في تطبيقات الطاقة الكبيرة ، حيث لا يكون الوزن جوهريًا ولكن السعر الاقتصادي. وهي منتشرة في استخدامات مثل معدات المستشفيات وإضاءة الطوارئ.

تُستخدم بطاريات ليثيوم أيون (Li-ion) حيث تكون الطاقة العالية والحد الأدنى من الوزن مهمين ، ولكن التكنولوجيا هشة وهناك حاجة إلى دائرة حماية لضمان السلامة. تشمل التطبيقات الهواتف المحمولة وأنواع مختلفة من أجهزة الكمبيوتر. توجد بطاريات ليثيوم أيون بوليمر (ليثيوم أيون بوليمر) في الغالب في الهواتف المحمولة. فهي خفيفة الوزن وتتمتع بشكل أنحف من بطاريات Li-ion. كما أنهم عادة ما يكونون أكثر أمانًا ولديهم حياة أطول. ومع ذلك ، يبدو أنها أقل انتشارًا لأن بطاريات Li-ion أرخص في التصنيع ولها كثافة طاقة أعلى.

البطاريات والمكثفات الفائقة

في حين أن هناك أنواعًا معينة من البطاريات قادرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة ، فهي كبيرة جدًا وثقيلة وتطلق الطاقة ببطء. من ناحية أخرى ، فإن المكثفات قادرة على الشحن والتفريغ بسرعة ولكنها تحتوي على طاقة أقل بكثير من البطارية. ومع ذلك ، فإن استخدام الجرافين في هذا المجال يقدم إمكانيات جديدة ومثيرة لتخزين الطاقة ، مع معدلات شحن وتفريغ عالية وحتى القدرة على تحمل التكاليف الاقتصادية. وبالتالي فإن أداء الجرافين المحسّن يطمس الخط التقليدي للتمييز بين المكثفات الفائقة والبطاريات.

تجمع بطاريات الجرافين بين مزايا البطاريات والمكثفات الفائقة

تكاد تكون البطاريات المُحسَّنة بالجرافين هنا

تتمتع البطاريات القائمة على الجرافين بإمكانيات مثيرة ، وعلى الرغم من أنها ليست متوفرة تجاريًا بالكامل بعد ، إلا أن البحث والتطوير مكثف ونأمل أن يسفر عن نتائج في المستقبل. تعمل الشركات في جميع أنحاء العالم (بما في ذلك Samsung و Huawei وغيرها) على تطوير أنواع مختلفة من البطاريات المعززة بالجرافين ، والتي يدخل بعضها الآن السوق. التطبيقات الرئيسية في السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة.

تستخدم بعض البطاريات الجرافين بطرق محيطية - وليس في كيمياء البطارية. على سبيل المثال في عام 2016 ، كشفت شركة Huawei النقاب عن بطارية Li-Ion جديدة مُحسّنة من الجرافين يستخدم الجرافين ليظل وظيفيًا عند درجة حرارة أعلى (60 درجة على عكس حد 50 درجة الحالي) ويوفر ضعف وقت التشغيل. يستخدم الجرافين في هذه البطارية لتبديد الحرارة بشكل أفضل - فهو يقلل درجة حرارة تشغيل البطارية بمقدار 5 درجات.

المصدر بطاريات الجرافين: مقدمة وأخبار السوق | الجرافين المعلومات