دیدگاه نوین ریپورت

پیش‌بینی‌ها نشان میدهد باتری‌های گرافنی تا اواسط دهه 2030 وارد بازار می شوند، تا همتایان لیتیومی خود را برای کاربرد در خودروهای الکتریکی به چالش بکشند. ورود این باتری‌ها هم‌زمان با تولید گرافن با قیمت پایین اتفاق می‌افتد. این توسعه نه‌تنها عملکرد خودروهای برقی را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد، بلکه به اهداف جهانی کربن‌زدایی و بهره‌وری انرژی نیز کمک می‌کند.

نمودار 1، فناوری‌های به ثبت رسیده در سه گروه اصلی باتری‌های دو یونی، لیتیوم-یون و باتری‌های مبتنی بر گرافن را نشان میدهد. رشد تکنولوژی باتری‌های دو یونی و گرافنی با 45% بهبود لیتیوم-یون با 30 درصد بهبود است، لذا در این میان تنها باتری‌های گرافنی سالانه بیشترین نرخ رشد فناوری را به خود اختصاص داده‌اند -

نمودار 1. مقایسه بین سه نوع باتری لیتیوم-یون، دو-یونی و گرافنی(focus)

درحال‌حاضر حدود 300 سازمان بر روی فناوری باتری گرافن کار می‌کنند. از بین ده شرکت برتر در بازار باتری گرافنی گروه Global Graphene به‌عنوان پیشرو در رتبه‌بندی قرار دارد. شرکت تابعه آنHoneycomb Battery Company اخیراً یک قرارداد ترکیبی برجسته با Nubia Brand International با هدف افزایش قابلیت‌های تولیدی و تحقیقاتی با تمرکز اصلی بر فناوری باتری پیشرفته برای خودروهای الکتریکی، امضا کرده است.

StoreDot ‌  تنها استارت آپ در میان ده شرکت برتر است که در سال 2023 پیشرفت چشمگیری داشته است. این شرکت برای تولید انبوه در سال 2024 آماده است. این سلول‌ها مناسب خودرو برای ارائه حداقل برد 100 مایلی تنها با پنج دقیقه شارژ طراحی شده‌اند. این استارت‌آپ قراردادهای راهبردی را با شرکت‌هایی مانند Volvo Cars (Geely)، VinFast و Flex|N|Gate منعقد کرده است. در اوایل سال 2024، با Polestar شرکت Volvo Cars در اولین نمایش ده دقیقه‌ای شارژ EV در جهان همکاری کرد. کیفیت باتری آن پس از آزمایش توسط 15 سازنده پیشرو جهانی تأیید شده است و حتی پس از 1000 چرخه شارژ سریع متوالی، هیچ کاهشی را نشان نمی‌دهد.

ساختار داخلی یک باتری گرافن کاملاً شبیه به یک باتری استاندارد لیتیوم-یون است. دو الکترود و یک محلول الکترولیت دارد، اما یک تفاوت قابل توجه در این باتری‌ها وجود دارد. یکی از الکترودهای باتری‌های مبتنی بر گرافن، عمدتاً ماده کاتدی را با ترکیبی از گرافن جایگزین می‌کنند. به عبارت دیگر، هیچ الکترود گرافن خالص در باتری گرافنی وجود ندارد، بلکه بسیاری از الکترودهای مبتنی بر گرافن ساخته شده به روشی مشابه با باتری‌های رایج به‌کار گرفته می‌شوند.

باتری‌های گرافنی حدود 8 برابر چگالی انرژی بیشتری نسبت به بهترین باتری‌های لیتیوم-یون رایج دارند. باتری‌های مبتنی بر گرافن انعطاف‌پذیر هستند و می‌توان از آنها برای کاربردهای مختلف استفاده کرد. شرکت‌هایی مانند تسلا و سامسونگ به‌سمت تولید و استفاده از باتری‌های مبتنی بر گرافن برای محصولات خود هستند. درحالی‌که تسلا به‌دنبال ادغام باتری‌های گرافن در خودروهای آینده خود است، سامسونگ به‌دنبال راه‌اندازی گوشی‌های هوشمند پرچم‌دار با باتری‌های مبتنی بر گرافن است. این فناوری گام بزرگی برای عملکرد خودروهای الکتریکی محسوب می‌شود و نویدبخش چگالی انرژی بالا، افزایش عمر چرخه (تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژی که یک باتری می‌تواند قبل از از دست دادن عملکرد کامل انجام دهد) و شارژ سریع است. گرافن ماده‌ای واقعاً اساسی است که از هر منبع کربنی به‌دست می‌آید و مواد اولیه آن فراوان است، اما راه تبدیل آن به گرافن محدود و روش‌های تولید فعلی بسیار گران هستند. لذا درحال‌حاضر تنها نقطه ضعف اصلی این باتری‌ها هزینه گزاف تولید آنهاست که ناشی از قیمت گران تولید گرافن است. با وجود داشتن 8 برابر چگالی انرژی بیشتر از باتری‌های با بهترین عملکرد کنونی، باتری‌های گرافنی پس از 400 چرخه ظرفیت ثابتی دارند. همچنین، باتری‌های گرافن ایمن‌تر هستند زیرا گرافن رسانایی دمایی بالایی دارد، لذا از فرار حرارتی به میزان زیادی جلوگیری می‌کند. علاوه‌بر این، گرافن نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون رایج دارای رسانایی بالایی است. بنابراین، باتری مبتنی بر گرافن نسبت به انواع دیگر باتری‌ها سریع‌تر شارژ می‌شود. توسعه باتری گرافن در تنوع ترکیبات شیمیایی هیبریدی گرافن-لیتیوم است که می‌توانند در کاتد سلول‌های لیتیوم-یون، لیتیوم-گوگرد یا بقیه سیستم‌ها گنجانده شوند. عملکرد آنها از طریق افزودن گرافن به فرمول الکترود افزایش می‌یابد. به‌طور کلی، الکترودهای ساخته شده از مواد معدنی دارای محدودیت‌هایی ازجمله مساحت سطح، چگالی، ظرفیت، زمان چرخه، رسانایی یا ظرفیت هستند. ازآنجاکه گرافن یک مولکول همه‌کاره با بسیاری از خواص منحصربه‌فرد و مطلوب است، لذا برای افزودن مزایایی در مواد سنتی استفاده می‌شود و به شکستن محدودیت‌های قبلی باتری کمک می‌کند که منجر به افزایش کارایی یا عمر باتری می‌شود.

گرافن در الکترودها به دو صورت کلی پایه و یا به‌عنوان کامپوزیت/هیبرید کار می‌کند. گرافن به‌عنوان یک ماده پشتیبان به حفظ نظم یون‌های فلزی کمک کرده و به افزایش کارایی الکترود کمک می‌کند و اگر به‌عنوان یک ماده کامپوزیت در یک الکترود نقش ایفا کند، معمولاً باعث تسهیل انتقال بار می‌شود و به‌این‌ترتیب نظم و رسانایی بالا باعث تفاوت در این نوع الکترودهاست. در انواع باتری‌ها می‌توان از مزایای گرافن بهره برد.

در ادامه گرافن در باتری‌های لیتیوم-گوگرد مورد بررسی قرار می‌گیرد.

باتری‌های لیتیوم-سولفور به‌دلیل هزینه و سمیت کم و چگالی انرژی 2567 وات بر ساعت در کیلوگرم، که پنج برابر باتری‌های لیتیوم-یون است، پتانسیل جایگزینی باتری‌های لیتیوم-یون در کاربردهای تجاری را دارند. بااین‌حال، باتری‌های سولفور لیتیوم دارای چندین ایراد مهم هستند.

استفاده از گرافن به‌عنوان پشتیبان برای یون‌های گوگرد، برخی از مشکلات با باتری‌های گوگرد را به‌دلیل خواص زیادی که قبلاً ذکر شد، از بین می‌برد. این خواص عبارت‌اند از رسانایی الکتریکی بالا، استحکام مکانیکی خوب، پایداری شیمیایی/حرارتی بالا و سطح وسیع، سطح بالا، پراکندگی خوبی از گوگرد را فراهم می‌کند، که حرکت یون‌های گوگرد را تنظیم می‌کند و از تجمع یون‌های گوگرد روی کاتد جلوگیری می‌کند. تولید ذرات گوگرد با پشتیبانی از گرافن نیز می‌تواند از طریق سنتز یک مرحله ای تولید شود.

عملکرد باتری‌های لیتیوم-گوگرد به‌شدت به غلظت گوگرد (و در واقع نسبت گرافن به گوگرد) در الکترود بستگی دارد. از الکترودهای تولید شده تا به امروز، الکترودهای حاوی گوگرد بالاترین عملکرد را ارائه می‌دهند. الکترودهای گوگردی با پشتیبانی از گرافن در مقایسه با الکترودهای گوگردی غیر مبتنی بر گرافن، پیشرفت زیادی در چرخه‌پذیری و حفظ ظرفیت نشان داده‌اند.

ساختار سل باتری لیتیوم-سولفور شامل کاتد دارای ترکیبات سولفوری و آند لیتیوم فلزی است که توسط غشا جداکننده آغشته به الکترولیت از یکدیگر جدا شده‌اند. واکنش کاتدی/آندی در رابطه 1 و 2 آورده شده است:

	(1)
	(2)

ظرفیت تئوری بالای هر دو الکترود و کوچک بودن جرم اتمی سولفور کاستی موجود در ولتاژ عمل (1/2 ولت) را جبران می‌کند و ازآنجاکه در زمان شارژ هر اتم سولفور با دو اتم لیتیوم واکنش می‌دهد، انرژی ویژه تئوری در این باتری‌ها زیاد است. در هرکدام از اجزای باتری‌های لیتیوم سولفور، بازۀ متنوعی از طراحی مواد جهت رفع مشکلات همراه و ارتقای کیفی این باتری‌ها وجود دارد که به‌طور خلاصه این تغییرات در جهت بهبود پراکندگی مناسب سولفور فعال، مواد جذب کننده کارا، ماتریکس‌های رسانای انعطاف‌پذیر، سیستم الکترولیت پایدار، مواد آندی ایمن، پیکربندی سل‌های جدید و تنظیمات شارژ مجدد هوشمند، دسته‌بندی می‌شوند.

در بخش آند مهم‌ترین ترکیبات شامل آندهای لیتیوم فلزی، سیلیکونی و کربنی هستند. باتری‌هایی با آند لیتیومی دارای دانسیته انرژی بالایی هستند، اما آند لیتیومی چالش‌های قابل توجهی را در این باتری‌ها ایجاد می‌کند. مهم‌ترین مشکل آنها مسئله ایمنی لیتیوم واکنش‌پذیری بالا و همچنین تمایل آن به تبدیل شدن به دندریت‌های لیتیوم است. در زمان شارژ-دشارژ امکان آتش گرفتن و یا حتی انفجار باتری در اثر اتصال کوتاه باتری، همواره وجود دارد که در کاربرد وسایل نقلیه اهمیت پیدا می‌کند. ازآنجاکه یون لیتیوم در الکترود مثبت ذخیره می‌شود، می‌توان آند لیتیومی را با آندهای قلع، سیلیکون دارای ظرفیت بالای یون لیتیوم و یا با مواد کربنی جایگزین نمود. علاوه‌بر ظرفیت بالا، بازده کولمبی نیز در آندهای سیلیکونی افزایش می‌یابد

شکل 1. شمایی از مراحل دندانه‌دندانه شدن و در نهایت اتصال کوتاه آند باتری لیتیومی

در بخش آند نیز چالش‌هایی دیده می‌شود. از دیگر چالش‌ها رسوب نمک‌های معدنی در کاتد است. به‌دلیل اینکه سلول دارای واکنش دهنده‌های بسیار محلول است، رسوب نمک‌ها باعث از بین رفتن مواد فعال، راندمان کولمبی کم، استفاده کم از کاتد گوگرد و کاهش عمر چرخه می‌شود. دومین نگرانی اصلی این است که گوگرد رسانایی ذاتی کمی دارد. روش‌های متنوعی برای بهبود کاتد مانند بهبود پراکندگی مناسب سولفور فعال، مواد جذب کننده کارا و ماتریس‌های رسانای انعطاف‌پذیر وجود دارد. لذا کاتد سولفوری را به‌صورت ترکیبات متنوعی بهبود داده‌اند. كاتدهای سولفوری را می‌توان بر اساس نوع ترکیب و ساختارشان به چند دسته تقسیم نمود:

• ترکیبات سولفور - گرافن
• ترکیبات سولفور - کربن
• ترکیبات سولفور - پلیمر رسانا
• ترکیبات افزودنی اکسیدهای متخلخل
• الكترودهای نانوساختار S2Li

 

اکسیدهای متخلخل جهت بهبود حفظ ظرفیت در باتری‌های سولفوری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. البته درک مکانیسم درگیر در این مواد الكترودی هنوز با محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند. کاتد S2Li را می‌توان با آند لیتیومی جفت نمود و از نگرانی‌های ایمنی و ظرفیت کولمبی سایر آندهای لیتیومی آسوده گردید. در سه گروه اول کربن به‌عنوان یک ترکیب رسانا و همچنین به‌عنوان یک قالب برای به دام انداختن پلی سولفیدها عمل می‌کند. بااین‌وجود ساختارهای متفاوت کربن، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارا هستند. در ترکیبات سولفور- پلیمر رسانا، به‌جای استفاده از کربن از پلیمر استفاده می‌گردد، که هم انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به کربن داشته و همچنین ممکن است فشارهای بیشتری را نیز تحمل کند.

گرافن با مزایایی که ایجاد می‌کند یکی از امیدبخش‌ترین ترکیبات کاتد باتری‌های لیتیوم-سولفور است. گرافن توانایی پوشش‌دهی روی سطح ذرات سولفور را داشته و همین‌طور می‌تواند به‌صورت ساندویچی شکل، مانع از حرکت نانوذرات سولفور به درون الکترولیت شود. علاوه‌بر این،  امکان عامل‌دار کردن سطح گرافن با گروه‌های مختلف نظیر هیدروکسیل و کربوکسیل وجود دارد و این گروه‌های عاملی توانایی برهم‌کنش‌های قوی با پلی سولفیدها را داشته و آنها را بهتر به دام می‌اندازند. گرافن اکسیدهای عامل‌دار شده اغلب موجب افزایش میل ترکیبی نسبت به سولفور و پلی سولفیدها از خود نشان داده‌اند. با این‌ وجود استفاده از این ترکیب به‌دلیل اینکه شبکه گرافن مانع از انتقالات یون‌های لیتیوم شود و همچنین هدایت گرافن اکسیدها به‌شدت وابسته به درجه اکسایش آن است لذا کاربرد آنها محدودیت‌هایی را در کاتد ایجاد می‌کند. در ادامه به فناوری باتری لیتیوم-سولفور ناسا که از کاتد آلیاژ سولفور همراه با گرافن متخلخل بهره جسته، پرداخته می‌شود.

کنکاش فناورانه

SABERS^[2] یک پروژه ناسا است که هدف آن توسعه بسته‌های باتری حالت جامد سبک‌تر، ایمن‌تر و کارآمدتر با قدرت تخلیه چند برابر باتری‌های لیتیوم-یون فعلی است. باتری SABERS از یک آند لیتیوم فلزی، الکترولیت جامد و کاتد گوگرد/سلنیوم (S/Se) تشکیل شده است. این باتری دارای «گرافن حفره‌ای» و ذرات S/Se توسعه‌یافته ناسا است که وزن باتری را کاهش و رسانایی را افزایش می‌دهد. ناسا در این پروژه توانسته است تا به باتری‌های لیتیوم-گوگرد با چگالی انرژی Wh.kg-1 500 برای کاربرد در هواپیما‌ها دست پیدا کند. در این تحقیقات به‌طور هم‌زمان از سه فناوری ساخت الکترود به روش خشک (بدون استفاده از حلال)، الکترولیت حالت جامد و کاتد گوگرد-سلنیوم استفاده شده است. کاتد به‌کاررفته در این باتری شامل ساختاری سه‌لایه می‌شود که دو لایۀ بیرونی از جنس گرافن و لایۀ میانی از جنس سلنیوم، گوگرد و یا ترکیبی از این دو است که در مقیاس آزمایشگاهی و از طریق پرس مکانیکی تهیه می‌شود. گرافن استفاده شده در این ترکیب، از نوع متخلخل (حفرات مربعی و دایره‌ای) است. تخلخل‌های مصنوعی بر سطح لایه‌های گرافن از طریق اکسیداسیون آن تهیه می‌شود و به نفوذ سریع‌تر لیتیوم در راستای ضخامت صفحات گرافن کمک می‌کند. الکترود سلنیوم-گرافن تهیه شده از این طریق، ظرفیت اولیه mA.h.g-1 600 و ظرفیت mA.h.g-1 250 در چرخه 20ام را دارد.