مقدمه
گرافن یک ماده دوبعدی است که از اتم‌های کربن تشکیل شده است و در یک شبکه شش‌ضلعی قرار دارد. بسیاری از افراد آن را به عنوان یک لایه اتمی تعریف می‌کنند. اما در دنیای واقعی، می‌تواند از لایه‌های تکی تا چندلایه و حتی به صورت نوارهای نازک و باریک (که به عنوان نانونوارها شناخته می‌شوند) وجود داشته باشد. بیشتر اشکال گرافن دارای هدایت الکتریکی بسیار بالا و حرکت‌پذیری حامل‌های بار، و همچنین پایداری بالا در برابر دما، مواد شیمیایی و تحریک‌های دیگر هستند، بنابراین همین ویژگی‌ها باعث شده‌اند که در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مختلف، مورد توجه قرار گیرد.
باتری‌ها
باتری‌های مبتنی بر گرافن، مهمترین دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند که از گرافن استفاده می‌کنند و نه تنها به طرح‌های مختلف در آزمایشگاه‌های علمی تحقیق شده‌اند، بلکه اکنون توسط برخی شرکت‌ها در صنعت به صورت تجاری تولید می‌شوند. بنابراین، به‌دلیل نیازهای ایمنی بلندمدت، پذیرش مواد گرافنی در بازارهای کاربران پس از مدتی انجام می‌شود و توانایی تولید آنها تجاری‌سازی باتری‌های مبتنی بر گرافن را در دنیای واقعی از طریق شرکت‌هایی مانند سامسونگ (بزرگترین شرکتی که از گرافن استفاده می‌کند) و سایر سازندگان کوچکتر باتری امکان‌پذیر می‌کند.
گرافن، مانند گرافیت، در الکترودها استفاده می‌شود. با این حال، اغلب الکترودها تماماً از گرافن تشکیل نمی‌شوند، زیرا اغلب به‌همراه گرافیت برای تشکیل الکترودهای هیبریدی استفاده می‌شود. در برخی موارد، گرافن می‌تواند روی سطح الکترودهای گرافیت پوشش داده شود و یکی از نمونه‌های شناخته‌شده، استفاده سامسونگ از ‘توپ‌های گرافن’ در پوشش الکترودها است. اگر به توسعه‌های اولیه از آزمایشگاه‌های علمی اعتماد کنیم، گرافن توانمندی دارد که در انواع مختلفی از باتری‌ها، و نه فقط در باتری‌های لیتیومی، برای بهبود بازده، پایداری و نرخ چرخه/تخلیه باتری‌ها استفاده شود.
خازن ها و ابرخازن ها
حوزه دیگری است که گرافن به آن وارد می‌شود. دلیل اصلی استفاده از گرافن این است که دارای مساحت سطح بالا، پایداری و هدایت است و می‌تواند برای انباشت و ذخیره بار مورد استفاده قرار گیرد – که مکانیسم اساسی ذخیره انرژی در خازن هاست. از بین انواع خازن ها، گرافن در ابرخازن ها بیشترین پتانسیل را دارد، زیرا می‌تواند در پوشش‌های کربنی بر روی صفحات خازن (به جای کربن فعال شده) برای تشکیل یک پوشش لایه دوتایی الکتریکی کارآمد مورد استفاده قرار گیرد. این ابرخازن ها سپس می‌توانند برای ذخیره کردن مقدار زیادی از انرژی استفاده شوند.
اگرچه ابرخازن ها به طور کلی گستردگی باتری‌ها راندارند، اما امکان رشد قابل ملاحظه‌ای برای آنها در چند سال آینده وجود دارد، زیرا ممکن است در خودروهای الکتریکی نسبت به باتری‌ها گزینه‌ی ترجیحی‌تری شوند. براساس وضعیت کنونی، بسیاری از شرکت‌ها ابرخازن های مبتنی بر گرافن را تجاری‌سازی کرده‌اند، بنابراین اگر افزایش تقاضا به وقوع پیوندد، تامین کالا انجام خواهد شد.
باتری-ابرخازن هیبریدی
اگرچه این دو حوزه به میزان دیگر حوزه‌ها که در بالا ذکر شده‌اند رایج نیستند، اما یک حوزه جدید ظاهر شده است که باتری‌ها وخازن ها را به یک دستگاه هیبریدی ترکیب می‌کند. همانطور که گفته شد، یکی از دلایلی که ابرخازن ها نسبت به خازن های معمولی و دیگر وسایل ذخیره انرژی گستردگی ندارند، هزینه‌ها است. یکی از راه‌های کاهش هزینه‌ها ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی هیبریدی است که از قدرت باتری‌های لیتیوم یون با توانایی شارژ سریع ابرخازن ها استفاده می‌کند.
این تا کنون با یکپارچه‌سازی ابرخازن ها مبتنی بر گرافن در ماژول‌های لیتیوم یون به منظور افزایش سبکی، چگالی انرژی، نرخ شارژ و دشارژ و پایداری در مقابل اجزای فردی مناسب موفقیت‌آمیز شده است. این حوزه نسبت به سایر حوزه‌های ذخیره انرژی نسبتاً جدید است، اما به دلبل مزایای قابل دستیابی می‌تواند در آینده رشد کند، به ویژه در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی که می‌توانند از ویژگی‌های هم‌زمان باتری‌ها و ابرخازن ها بهره‌مند شوند.
نانوکامپوزیت‌های بر پایه گرافن برای ذخیره‌سازی انرژی
گرافن و کامپوزیت‌های گرافنی دارای منافذ باز بزرگ هستند که انتقال سریع یون‌های هیدراته منجر به افزایش ظرفیت دوگانه لایه الکتریکی در الکترولیت‌های مختلف می شود. گوشه‌های فعال بسیار در گرافن می‌توانند باعث تجدید انباشت‌شدن گرافن شده و به عدم دسترسی به سطح (کاهش مساحت سطحی و مسیرهای پیچیده) و کاهش ظرفیت شوند. چندین رویکرد برای حفظ پراکندگی ورق‌های گرافنی مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از مثال‌ها این است که الکترود را هیدراته نگه داریم، که می‌تواند ظرفیت خاص را به طور چشم‌گیری افزایش دهد و به خصوص پایداری چرخه را در چگالی جریان بالا در ابرخازن بهبود بخشد.
عملکرد ابرخازن های مبتنی بر گرافن می‌تواند توسط موارد زیر بهبود یابد: (i) طراحی و سنتز گرافن با ساختار متخلخل؛ (ii) اصلاح سطح گرافن با اتم‌های ناهمگن؛ و (iii) ترکیب گرافن با پلیمرهای هادی الکتریکی، اکسیدهای فلزی انتقالی، نیتریدها (یا سولفیدها) فلزهای انتقالی، فازهای کربنی نانوساختار ثانویه یا سایر موارد به منظور توسعه معماری‌های هیبریدی با توزیع، چگالی و مورفولوژی و میکروساختار بهینه.
تشکیل گرافن با ساختار متخلخل و سطح بزرگ ساخته شده، یک استراتژی مؤثر برای افزایش عملکرد الکتروشیمیایی آن در ابرخازن ها است، زیرا تخلخل در گرافن می‌تواند به مسیرهای تعریف‌شده به منظور انتقال یونی و الکترونی به صورت کارآمد، سطح الکتروشیمیایی قابل دسترسی بیشتر به الکترولیت، طول‌های کوتاه‌تر انتقال یون و دسترسی موثر الکترود به الکترولیت منجر شود. تمام این عوامل می‌توانند بهبود کارآمدی خازنی را به همراه داشته باشند. به علاوه، این ساختارهای تخلخلی هنگام استفاده به عنوان الکترودهای ابرخازن ها قابلیت تطبیق بالا را نشان می دهد.
ایده استفاده از فیلم‌های گرافن متخلخل مستقل عالی است. با این حال، بارگذاری ماده کم در واحد حجم یک نگرانی عمده است که می‌تواند منجر به کاهش چگالی حجمی شود.
نانوکامپوزیت‌های گرافن برای ابرخازن های ناهمسان و میکروابرخازن ها
نانوکامپوزیت‌های گرافن مختلف با مساحت سطح بالا می‌توانند بارها را به صورت الکترواستاتیک از طریق جذب یون قابل برگشت در رابطه الکترود / الکترولیت ذخیره کنند. افزودن اکسیدهای فلزی انتقالی یا پلیمرهای هادی الکتراکتیو که از واکنش‌های ردوکس سریع و قابل برگشت در سطح مواد الکترواکتیو برای ذخیره‌سازی بار استفاده می‌کنند، می‌تواند منجر به پسودوکپاسیتانس بالا شوند.
این روزها، الیاف مبتنی بر گرافن و الیاف ترکیبی مبتنی بر گرافن نیز برای میکرو ابرخازن ها استفاده شده‌اند. با این حال، افزایش چگالی انرژی حجمی منجر به کاهش چگالی توان و عمر چرخه می‌شود. عوامل مهمی که بر عملکرد میکرو ابرخازن ها تأثیر می‌گذارند، ویژگی‌های ذاتی مواد الکترود و الکترولیت، طراحی معماری دستگاه و روش‌های تولید آنها می‌باشند.
باتری‌های لیتیوم-یون
باتری‌های لیتیوم-یون به عنوان یکی از پرطرفدارترین سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی برای کاربردهای مختلف توجه گسترده‌ای از جامعه علمی به خود جلب کرده‌اند به دلیل چندین مزیت مهم، مانند چگالی انرژی بالا، عمر چرخه بلند و تخلیه کم.
گرافن و نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن به دلیل ویژگی‌های برتر خود، توجه فراوانی برای استفاده در باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یون به خود جلب کرده‌اند. در تئوری، گرافن توانایی ذخیره لیتیوم خوبی دارد، زیرا لیتیوم می‌تواند به هر دو طرف ورق‌های گرافن، لبه‌های ورق و انواع سایت‌های آن متصل شود. وقتی به عنوان ماتریس هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، گرافن همچنین به طور قابل توجهی انتقال الکترون را در تماس با مواد الکتروشیمیایی فعال در باتری‌های لیتیوم-یون افزایش می‌دهد. گرافن با سطح زیاد می‌تواند به بهبود اساسی در طراحی الکترودهای مسطح منجر شود .
- آندها
- آند‌های مبتنی بر گرافن
در باتری‌های لیتیوم-یون، آند به عنوان جزء حیاتی تاثیرگذار بر عملکرد باتری در نظر گرفته می‌شود. مواد نانوساختار به عنوان آندها در باتری‌های لیتیوم-یون به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند به دلیل مساحت سطح بالا و نفوذ سریع یون لیتیم، آنها قادرند بیشترین مقدار یون لیتیم را نسبت به مواد حجیم ذخیره کنند. گرافن می‌تواند ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیم با ویژگی‌های خاص بالا را ایجاد کند، اما عدم وجود یک پلاتوی تخلیه مشخص، ولتاژ تخلیه بالا، از دست رفتن ظرفیت نخستین چرخه به دلیل واکنش‌پذیری بالای سطح گرافن، هزینه بالای گرافن ممکن است کاربردهای آن به عنوان آند برای باتری‌های لیتیم-یون را محدود کند.
عملکرد الکترودهای مبتنی بر گرافن خالص معمولاً از تجمع شدید گرافن متاثر می‌شود، که بطور طبیعی دسترسی یونی ضعیف را مختل می‌کند. بنابراین، طراحی بهتری از مواد الکترود گرافن برای افزایش عملکرد گرافن در باتری‌های لیتیم-یون ضروری است. اکنون، محققان بر روی ساخت مواد آند با عملکرد بالا که شامل گرافن متخلخل ویا مواد کامپوزیتی گرافنی هستند، تمرکز دارند.
گرافن متخلخل
نسبت به ورقه‌های خالص گرافن، گرافن متخلخل دارای مساحت سطحی مخصوص بزرگتر است. علاوه بر این، گرافن متخلخل با منافذ خوب تعیین شده، می‌تواند سرعت کینتیکی پخش Li-ion را بیشتر افزایش دهد و فاصله درج و خارج شدن Li-ion را کمینه کند به دلیل کانال‌های متصل به یکدیگر که از سایت‌های فعال داخلی عبور می‌کنند. با این حال، عملکرد الکتروشیمیایی گرافن متخلخل هنوز به دلیل تجمع و تراکم مجدد ورقه‌های گرافن محدودیت دارد.
کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن
گرافن همچنین با اکسیدهای فلزات انتقالی الکتروشیمیایی TiO2، SnO2، Fe3O4، Co3O4، Fe2O3، FeO، Mn3O4، MnO2، MnO، CuO، NiO، NiO/SiO2، MoO2، CoO، SiO2، ZnCo2O4، CeO2، Cr2O3 و غیره، سولفیدهای فلزات انتقالی MoS2، SnS2، CoS، FeS، Co3S4 و NiS و غیره، نیتریدهای فلزات انتقالی FeN، CoN، NiN، TiN، VN و غیره)، فسفیدهای فلزات انتقالی Co2P، CoP، Ni2P و غیره، عناصر با مکانیسم آلیاژی/آلیاژ‌زدایی، مانند نیمه‌هادی‌ها، فلزات و عناصر دیگر Si، Ge، Sn، Sn-Sb، P و غیره و دیگر مواد (نظیر آنها)، برای ساخت اندهای نانوکامپوزیت مبتنی بر گرافن برای باطری‌های لیتیم-یون با عملکرد بهبودی استفاده شده‌اند.
ارتقاء عملکرد الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن می‌تواند به سه عامل نسبت داده شود: (i) لایه‌های انعطاف‌پذیر گرافن گسترش حجم بزرگ این مواد الکتروشیمیایی فعال را در طول فرایند شارژ/تخلیه مداوم مهار کرده و مشکلات انباشته‌شدن/تردشدگی را کاهش می‌دهد؛ (ii) گرافن دارای هدایت الکتریکی عالی است که اطمینان حاصل می‌کند تماس الکتریکی خوبی بین ذرات ناهمگن مجاور وجود دارد. همانطور که گفته شد، گرافن دارای مساحت سطح بالا، نقص‌های سطحی و تخلخل بالا است که ظرفیت ذخیره لیتیم بالا، دسترسی و پخش سریع یون لیتیم را ایجاد می‌کند؛ و (iii) محدود کردن نانوذرات الکتروشیمیایی فعال بین لایه‌های گرافن می‌تواند انباشته‌شدن مجدد ورقه‌های گرافن را کاهش دهد و به‌تبع اینکه فعالیت مساحت بالای آنها را حفظ می‌کند. این اثرات همزیست گرافن و نانوذرات می‌تواند بهترین ویژگی‌های هر دو ماده را ترکیب کند.
صرف نظر از افزایش چشمگیر ظرفیت ناشی از اکسیدهای فلزی، این مواد دارای تغییرات حجم بزرگ در طول فرآیند شارژ-دشارژ هستند. این موضوع می‌تواند منجر به تشکیل تنش‌های بالا شود و در نتیجه مشکلات مکانیکی در اکسیدهای فلزی و گرافن ایجاد کند، که در نهایت می‌تواند منجر به جداشدن آنها از سطح شود و باعث کاهش طول عمر چرخشی و شکست کلی گردد.
کاتد‌ها
کاتدهای موجود تجاری باتری‌های لیتیوم-یون به‌طور انحصاری به “اکسیدهای فلزات انتقال لیتیوم” محدود هستند؛ مانند LiCoO2، LiNiO2، LiMn2O4، اکسیدهای فلزی ترکیبی با ساختار اسپینل و مواد پلی آنیونی مانند LiFePO4 و V2O5 .
گرافن به طور گسترده‌ای برای بهبود خواص الکتروشیمیایی کاتد لیتیوم‌فسفات آهن باتری‌های لیتیوم-یون استفاده شده است. به عنوان مثال، نانوورق‌های گرافن به عنوان افزودنی‌ها برای تهیه نانوکامپوزیت‌های کروی LiFePO4/گرافن با اندازه ذرات متوسط حدود 100 نانومتر از طریق هم‌افزایش استفاده شد، که ظرفیت ویژه‌ای برابر با 160 میلی آمپر ساعت بر گرم در C0.2 داشت و پایداری چرخه را بهبود بخشید. نانوکامپوزیت‌های گرافن/LiFePO4 از طریق خشک کردن پاششی ساخته شدند که در آن نانوذرات اولیه LiFePO4 در داخل ذرات ثانویه میکرونی کروی با پوشش گرافن یکنواخت جاسازی شده‌اند که منجر به ایجاد شبکه‌های 3D می‌شود. این معماری میان ذرات ثانویه پخش الکترون از طریق ذرات ثانویه است، در حالیکه یون‌های لیتیم جای خالی‌های فراوان بین نانوذرات LiFePO4 و برگه‌های گرافن را اشغال می‌کنند. به علت این موارد، نانوکامپوزیت‌ها ظرفیت برابر با 70 میلی آمپر ساعت بر گرم حتی در نرخ تخلیه C 60نشان دادند. هنگامی که در نرخ C 1بر گرم چرخیده‌اند، حتی بعد از 1000 چرخه، 99.7٪ ظرفیت اولیه آنها حفظ شده بود.
در گزارشی، نانوکاتد هیبریدی LiMn2O4 / rGO نیز از طریق واکنش هیدروترمال تحت مایکروویو ساخته شد که ذرات نانومتری LiMn2O4 بدون تجمع به طور یکنواخت بر روی الگوی rGO پراکنده شده‌اند. محدوده سطح فعال ذاتی نانوذرات LiMn2O4 در کاتد هیبریدی نقش مهمی در افزایش نفوذ یون لیتیم با سرعت بالا ایفا می‌کند، که بر اساس داده‌های ولتامتری سیکلی گزارش شده است هنگامی که در نرخ شارژ C 10بر گرم و نرخ تخلیه C 20بر گرم به مدت 1000 چرخه استفاده شد، کاهش ظرفیت تنها حدود 15٪ بود.
با وجود اینکه استفاده از گرافن ویژگی‌های الکتروشیمیایی سیستم‌های باتری لیتیوم-یون را بهبود می‌بخشد، نرخ‌ها هنوز به محدوده‌های کاربردی در حال حرکت محدود هستند و برای کاربردهای وسایل نقلیه نیاز به پیشرفت‌های بیشتر دارند. علاوه بر این، سنتز این نانوکامپوزیت‌ها نیازمند تکنیک‌های فرآیندی منحصر به فرد و درصدهای قابل ملاحظه‌ی گرافن است، که هزینه تولید را افزایش می‌دهد. چالش‌هایی که در اینجا باید به آنها پرداخته شود، شامل جذب الکترولیت بزرگ ناشی از تخلخل گرافن و افت قابل برگشت ظرفیت در چرخه اول به دلیل تشکیل SEI است. هدف اصلی طراحی استفاده از مقدار کم گرافن است تا مشکلات ذکر شده به حداقل برسند.
نانوکامپوزیت‌های پلیمر/گرافن به عنوان مواد کاتدی توجه زیادی به خود جلب کرده‌اند زیرا پلیمرها مستدام، زیست‌محیطی (“کاتدهای سبز”) هستند که کینتیک‌های به طور ذاتی سریع‌تری دارند و اساس پایدار الکتروشیمیایی دارند و می‌توانند با گروه‌های فعال‌سازی‌کننده الکتروشیمیایی ترکیب شوند. به‌ویژه، محققان بر روی نانوکامپوزیت‌های پلی(آنتراکوئینونیل سولفید) و پلی‌آمید با گرافن با استفاده از پلیمریزاسیون در جا (in situ) تمرکز کرده‌اند. کاتدهای مبتنی بر پلیمر از دو مشکل اساسی رنج می‌برند: (i) ظرفیت خاص ذاتی کم که با ترکیب با گرافن حتی کمتر خواهد شد؛ و (ii) پتانسیل الکترود کم (نسبت به کاتدهای معمولی غیرفلزی). این مشکلات باعث کاهش عملکرد الکتروشیمیایی کل باتری‌ها می‌شوند (به عنوان مثال، انرژی خاص، چگالی انرژی و چگالی توان) و محدود کننده کاربردهای عملی آنها می‌شوند.
باتری‌های لیتیوم-یون فعلی که از گرافن یا نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن به عنوان الکترودها استفاده می‌کنند، همچنان بر مبنای واکنش‌های فارادیک سنتی عمل می‌کنند و دارای چگالی انرژی بالاتری نسبت به ابرخازن‌ها هستند، اما به دلیل پخش کند انتقال لیتیوم، توان محدود را به همراه دارند. بنابراین، یک ماده نوآورانه و/یا طراحی الکترود جدید که می‌تواند ترکیبی از خصوصیات ابرخازن‌ها و باتری‌های لیتیوم-یون باشد، می‌تواند در دستیابی به همچنین چگالی انرژی و توان بالا مفید باشد.
باتری‌های لیتیوم-یون در حال حاضر در بازار الکترونیک‌های قابل حمل رهبری می‌کنند. با این حال، آنها با چالشی مواجه هستند که در ذخیره‌سازی انرژی کافی، به‌ویژه برای برداری‌های برقی موردنیاز توسط خودروهای الکتریکی، برخوردار است. بنابراین، ضروری است که سیستم‌های جایگزین ذخیره‌سازی انرژی با چگالی انرژی/توان بالاتری پیدا شوند که باتری‌های لیتیوم-گوگرد و لیتیوم-هوا به عنوان گزینه‌های قابل استفاده با ظرفیت نظری بالا، چگالی انرژی مشخص بالا، پردازش/کنترل آسان و زیست‌محیطی‌بودن به ارمغان می‌آورند.
منابع:
https://www.cheaptubes.com/resources/graphene-battery-users-guide/
