تعد البطاريات في صميم أهم تقنياتنا اليومية. يعتمد هاتفك وجهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك وفي النهاية سيارتك ومنزلك على تخزين الطاقة في البطاريات. تعد تقنية البطاريات الحالية رائعة ، لكن بطاريات الجرافين يمكن أن تحل أوجه القصور فيها.

ما هو الجرافين بالضبط؟

هناك فرصة جيدة لأنك سمعت عن الجرافين في وسائل الإعلام من قبل. كل بضع سنوات ، هناك تنبؤات غير متوقعة حول كيف ستحول هذه المادة العجيبة تقنيات مختلفة. ما قد لا تعرفه هو أن الجرافين هو مجرد كربون. نفس الأشياء التي تقوم عليها الحياة على الأرض وهي عنصر وفير بشكل لا يصدق على الأرض.

الجرافين عبارة عن شبكة بلورية من الجرافيت بسماكة ذرة واحدة ، وهو في الأساس كربون بلوري. يبدو هذا وكأنه شيء خيالي بشكل لا يصدق ، ولكن يمكنك صنع رقائق من الجرافين بقلم رصاص وبعض الشريط اللاصق. ومع ذلك ، فقد تم بالفعل منح جائزة نوبل لفعل ذلك .

يحتوي الجرافين على العديد من الخصائص التي تجعله مثيرًا للغاية كجزء محتمل من التكنولوجيا المستقبلية. لديها موصلية حرارية وكهربائية عالية. لذلك إذا كنت تريد نقل الكهرباء أو التدفئة بكفاءة عالية ، فهذا خيار واعد.

يُظهر الجرافين أيضًا مستوى عالٍ من الصلابة والقوة. إنه مرن للغاية ومرن. كما أنها شفافة ويمكن استخدامها لتوليد الكهرباء من ضوء الشمس.

يصعب إنتاج الجرافين بكميات كبيرة

كل هذا يبدو رائعًا ، لكن هناك عقبة كبيرة. على الرغم من أنه من التافه صنع رقائق الجرافين أو الألواح الصغيرة للبحث في المختبر ، إلا أن الإنتاج الضخم يثبت أنه صعب. لولا تحديات الإنتاج الضخم لهذه المادة النانوية بشكل موثوق ، لكانت موجودة في المنتجات منذ زمن بعيد.

الخبر السار هو أن هناك العديد من السبل الواعدة للإنتاج الضخم التي يمكن أن تجعل الجرافين أرخص بما يكفي للوصول إلى السوق الشامل. يمكن الآن تصنيع الألياف المشبعة بالجرافين بكميات معقولة. يمكن أيضًا إنتاج الجرافين باستخدام المذيبات ، على الرغم من أنها شديدة السمية. كان الباحثون يبحثون عن مذيبات أكثر أمانًا ويبدو ذلك واعدًا أيضًا.

غالبًا ما يُصنع الجرافين حاليًا باستخدام ترسيب البخار الكيميائي. هنا يتشكل الجرافين كطبقة على مادة الركيزة. المشكلة في ذلك هي أن معدل الخلل في الجرافين مرتفع. بحث جديد باستخدام سائل (بسطحه المسطح تمامًا) كركيزة قد يحل مشكلة معدل الخلل. إذا افترضنا أننا في النهاية نكسر الإنتاج الضخم للجرافين ، فلماذا نريده في البطاريات؟

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على مشاكل لا يمكن أن يتسبب بها الجرافين

بطاريات الليثيوم هي أكثر البطاريات كثافة للطاقة التي يمكن أن تجدها في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. إنهم يجعلون أجهزة مثل الهواتف الذكية والطائرات بدون طيار والسيارات الكهربائية ممكنة. ومع ذلك ، الليثيوم. البطاريات متقلبة وتحتاج إلى دوائر أمان شاملة للحفاظ على ثباتها.

كما أنها تتحلل مع كل عملية إعادة شحن ، وهناك حد لمقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها دفعة واحدة ، ويجب شحنها ببطء خشية ارتفاع درجة حرارة البطارية وتنفجر .

يمكن للبطاريات المُحسَّنة باستخدام الجرافين إصلاح العديد من هذه المشكلات أو تخفيفها. يمكن أن تؤدي إضافة الجرافين إلى بطاريات الليثيوم الحالية إلى زيادة سعتها بشكل كبير ، ومساعدتها على الشحن بسرعة وأمان ، وجعلها تدوم لفترة أطول قبل أن تحتاج إلى الاستبدال.

لا تحتوي بطاريات الحالة الصلبة على سائل إلكتروليت. هذه هي المادة الموجودة بين طرفي البطارية وتخزن الطاقة الكيميائية المحولة إلى تيار كهربائي. لا يزال إنشاء بطاريات صلبة عملية كبيرة للاستخدام التجاري هدفًا بحثيًا مستمرًا ، ولكن الجرافين قد يكون المرشح المناسب لجعل بطاريات الحالة الصلبة حقيقة واقعة في السوق الشامل.

في بطارية الحالة الصلبة من الجرافين ، يتم مزجه مع السيراميك أو البلاستيك لإضافة الموصلية لما هو عادة مادة غير موصلة. على سبيل المثال ، ابتكر العلماء نموذجًا أوليًا لبطارية الحالة الصلبة للجرافين والسيراميك يمكن أن يكون مخططًا لبدائل آمنة وسريعة الشحن لبطاريات الليثيوم أيون مع إلكتروليت سائل متطاير.

بطاريات الجرافين التي يمكنك شراؤها (نوعًا ما)

تبدو بطاريات الجرافين رائعة ، مثل شيء من الخيال العلمي. الخبر السار هو أنه ليس عليك الانتظار لتجربة فوائد الجرافين. على الرغم من أن بطاريات الجرافين الصلبة لا تزال بعيدة ، إلا أن بطاريات الليثيوم المعززة بالجرافين موجودة بالفعل في السوق.

على سبيل المثال ، يمكنك شراء إحدى بطاريات Elecjet’s Apollo ، والتي تحتوي على مكونات الجرافين التي تساعد في تحسين بطارية الليثيوم بالداخل. الميزة الرئيسية هنا هي سرعة الشحن ، حيث تطالب Elecjet بشحن فارغ إلى كامل لمدة 25 دقيقة. يتم تحسين هذه البطاريات قليلاً فقط باستخدام القليل من الجرافين ، لكن تكلفتها ليست عالية جدًا بحيث تجعلها بعيدة عن متناول المستهلكين العاديين.

على مدى السنوات القليلة المقبلة ، مع انخفاض تكلفة إنتاج الجرافين ، نتوقع أن نرى المزيد من الأجهزة تعزز بطاريات الليثيوم بهذه المادة الرائعة. قريبًا ، ربما ستصبح بطاريات الجرافين ذات الحالة الصلبة الثورة الكبيرة التالية في تخزين الطاقة .