باتری های گرافینی و اهمیت آن ها برای ابزارهای آینده

یکی از مشکلات رایج در دستگاه‌های هوشمند امروزی، محدودیت شارژدهی باتری‌ها است. باتری‌های گرافینی، دستاورد جدیدی هستند که می‌توانند این محدودیت را از بین ببرند.

فناوری باتری‌های مورد استفاده در گوشی‌های هوشمند امروزی، در وضعیت نسبتا خوبی قرار دارد. در عین‌حال، تنها چیزی که دارندگان دستگاه‌های هوشمند را راضی نمی‌کند، مدت زمان شارژدهی باتری‌ها است. فوق‌العاده نبود اگر می‌توانستیم با یک‌بار شارژ، برای چند روز یا حتی یک هفته از دستگاه‌های خود استفاده کنیم؟ باتری‌های گرافینی، دستاورد جدیدی هستند که ممکن است که این رویا را به واقعیت تبدیل کنند.

در حال حاضر، این نوع از باتری‌ها در دستگاه‌های ما مورد استفاده قرار نمی‌گیرند؛ اما خوشبختانه فناوری مربوطه در حال پیشرفت است. در آینده، باتری‌های گرافینی ممکن است جایگزین باتری‌های لیتیوم-یونی کنونی 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؛ اما بد نیست گوشه‌ی چشمی هم به این فناوری نوین داشته باشیم. در ادامه، با فناوری باتری‌های گرافینی آشنا می‌شویم.

باتری گرافینی چیست؟

پیش از صحبت کردن از باتری‌های گرافینی، بهتر است ابتدا در رابطه با گرافین و نحوه‌ی کارکرد آن صحبت کنیم. به‌طور خلاصه، گرافین ترکیبی از اتم‌های کربن است که آرایش شش‌گوشه یا لانه‌زنبوری 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 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.

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.

گرافین در مقابل لیتیوم-یون

همانند باتری‌های لیتیوم-یونی، سلول‌های گرافینی هم از دو سطح رسانا استفاده می‌کنند که با موادی متخلخل پوشانده‌شده و در محلولی الکترولیت قرار گرفته‌اند. اما با وجود شباهت‌های میان قطعات درونی، ویژگی‌های این دو باتری متفاوت است.

باتری‌های گرافینی رسانایی الکتریکی بالاتری از باتری‌های لیتیوم-یون دارند. این مسئله امکان شارژ سریع‌تر و ارائه‌ی جریان بالاتر را در اختیار باتری‌های گرافینی قرار می‌دهد. این ویژگی به‌طور خاص برای باتری‌های تعبیه‌شده در خودروها و انتقال سریع شارژ از یک دستگاه به دستگاه دیگر 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 پایین‌تر موجب افزایش عمر باتری می‌شود.

از دیگر مشخصه‌های باتری‌های گرافینی، می‌توان به وزن کمتر و نازک‌تر بودن آن‌ها، در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون اشاره کرد. این دو ویژگی امکان تولید باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر را فراهم می‌کنند. باتری‌های لیتیوم-یون به‌ازای هر کیلوگرم ۱۸۰ وات‌ساعت انرژی را در خود ذخیره می‌کنند؛ اما این نسبت برای باتری‌های گرافینی به ۱۰۰۰ وات‌ساعت به‌ازای هر کیلوگرم می‌رسد.

وزن کمتر، ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی بیشتر و فعالیت در دمای پایین‌تر از جمله مزایای باتری‌های گرافینی هستند.

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.

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.

باتری‌های گرافینی و گوشی‌های هوشمند آینده

گوشی‌های هوشمندی که در آینده از باتری‌های گرافینی استفاده خواهند کرد، از مزایایی که پیش از این در مطلب پیش‌رو ذکر شد بهره‌مند خواهند بود. زمان شارژ شدن گوشی‌ها کوتاه‌تر خواهد بود و باتری‌ها به‌راحتی یک تا دو روز استفاده را دوام می‌آورند، هرچند که این زمان ممکن است بیشتر هم باشد. همچنین، دستگاه‌های آتی سبک‌تر و باریک‌تر خواهند بود.

ظرفیت باتری‌های گرافینی، در مقایسه با نمونه‌های لیتیوم-یونی با اندازه‌ی مشابه، ۶۰ درصد بیشتر خواهد بود. به‌واسطه‌ی دفع بهتر حرارت که موجب خنک ماندن دستگاه می‌شود، عمر گوشی‌ها نیز بیشتر می‌شود. دیگر لازم نخواهد بود تا پس از دو سال، 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 چند سالی با آماده شدن باتری‌های گرافینی فاصله داریم؛ اما این نوآوری نوید آینده‌ی روشنی را در زمینه‌ی گوشی‌ها و دیگر دستگاه‌های هوشمند می‌دهد. پس بهتر است توجه بیشتری به این فناوری داشته باشیم.