باتري هاي گرافيني و اهميت آن‌ها براي ابزارهاي آينده
فناوري باتري‌هاي مورد استفاده در موبايل‌هاي هوشمند امروزي، در وضعيت نسبتا خوبي قرار دارد. در عين‌حال، تنها چيزي كه دارندگان دستگاه‌هاي هوشمند را راضي نمي‌كند، مدت زمان شارژدهي باتري‌ها است. فوق‌العاده نبود اگر مي‌توانستيم با يك‌بار شارژ، براي چند روز يا حتي يك هفته از دستگاه‌هاي خود استفاده كنيم؟ باتري‌هاي گرافيني، دستاورد جديدي هستند كه ممكن است كه اين رويا را به واقعيت تبديل كنند.
در حال حاضر، اين نوع از باتري‌ها در دستگاه‌هاي ما مورد استفاده قرار نمي‌گيرند؛ اما خوشبختانه فناوري مربوطه در حال پيشرفت است. در آينده، باتري‌هاي گرافيني ممكن است جايگزين باتري‌هاي ليتيوم-يوني كنوني شوند؛ باتري‌هاي كه دنياي فناوري شديدا به آن‌ها وابسته است.
فناوري باتري‌هاي گرافيني، براي مدت طولاني در حال طي كردن مسير تكامل است؛ اما به‌انديشه متخصصين مي‌رسد در حال نزديك شدن به نقطه‌ي پاياني اين مسير هستيم. هرچند تا تجاري‌سازي اين فناوري فاصله داريم؛ اما بد نيست گوشه‌ي چشمي هم به اين فناوري نوين داشته باشيم. در ادامه، با فناوري باتري‌هاي گرافيني آشنا مي‌شويم.
باتري گرافيني چيست؟
پيش از صحبت كردن از باتري‌هاي گرافيني، بهتر است ابتدا در رابطه با گرافين و نحوه‌ي كاركرد آن صحبت كنيم. به‌طور خلاصه، گرافين تركيبي از اتم‌هاي كربن است كه آرايش شش‌گوشه يا لانه‌زنبوري دارد. آن‌چه موجب خاص بودن گرافين مي‌شود اين است كه ضخامت هر لايه‌ي گرافين معادل يك اتم است. به‌عبارتي، يك ورقه‌ي گرافين را مي‌توان ورقه‌اي دوبعدي به‌حساب آورد.
اين ساختار دوبعدي ويژگي‌هاي جذابي را به‌وجود مي‌آورد، از جمله رسانايي الكتريكي و گرمايي عالي، انعطاف‌پذيري زياد، استحكام بالا و سبك بودن. در اين ميان، آن‌چه توجه ما را به خود جلب مي‌كند، رسانايي بالاي الكتريكي و گرمايي است؛ گرافين دراين‌زمينه حتي از «مس» كه رساناترين عنصر فلزي است هم بهتر عمل مي‌كند.
در زمينه‌ي توليد باتري، مي‌توان از مزاياي گرافين به اشكال مختلفي استفاده كرد. يكي از روش‌هاي ايده‌آل براي استفاده از گرافين به‌عنوان باتري، استفاده از آن به‌عنوان يك «ابرخازن» است. ابرخازن‌ها مي‌توانند مثل باتري‌هاي سنتي، انرژي را در خود ذخيره كنند؛ اما سرعت شارژ و تخليه‌ي انرژي در اين ابزارها فوق‌العاده بالا است.
اما معماي حل‌نشده در اين مسير، يافتن روشي اقتصادي براي توليد انبوه لايه‌هاي فوق‌نازك گرافين جهت استفاده در باتري و ديگر فناوري‌ها است. در حال حاضر، هزينه‌ي توليد گرافين سرسام‌آور است؛ اما تحقيقاتي علمي كمك خواهند كرد تا ايده‌ي استفاده از باتري‌هاي گرافيني به واقعيت نزديك‌تر شود.
در سال ۲۰۱۷، سامسونگ خبر از پيشرفت‌هاي اساسي در توليد باتري گرافيني داد؛ اما هنوز خبر جالب توجهي دراين‌زمينه منتشر نشده است. اخيرا نيز اخباري مبني بر علاقه‌ي تسلا به فناوري باتري‌هاي گرافيني براي استفاده در خودروها منتشر شده بود.
گرافين در مقابل ليتيوم-يون
همانند باتري‌هاي ليتيوم-يوني، سلول‌هاي گرافيني هم از دو سطح رسانا استفاده مي‌كنند كه با موادي متخلخل پوشانده‌شده و در محلولي الكتروليت قرار گرفته‌اند. اما با وجود شباهت‌هاي ميان قطعات دروني، ويژگي‌هاي اين دو باتري متفاوت است.
باتري‌هاي گرافيني رسانايي الكتريكي بالاتري از باتري‌هاي ليتيوم-يون دارند. اين مسئله امكان شارژ سريع‌تر و ارائه‌ي جريان بالاتر را در اختيار باتري‌هاي گرافيني قرار مي‌دهد. اين ويژگي به‌طور خاص براي باتري‌هاي تعبيه‌شده در خودروها و انتقال سريع شارژ از يك دستگاه به دستگاه ديگر مفيد است. رسانايي گرمايي بالاتر نيز امكان فعاليت در دماي پايين‌تر را به‌اين باتري‌ها مي‌دهد؛ علاوه‌بر اين، در تلفن‌هاي همراه كه فضاي محدودي دارند، فعاليت در دماي پايين‌تر موجب افزايش عمر باتري مي‌شود.
از ديگر مشخصه‌هاي باتري‌هاي گرافيني، مي‌توان به وزن كمتر و نازك‌تر بودن آن‌ها، در مقايسه با باتري‌هاي ليتيوم-يون اشاره كرد. اين دو ويژگي امكان توليد باتري‌هايي با ظرفيت بالاتر را فراهم مي‌كنند. باتري‌هاي ليتيوم-يون به‌ازاي هر كيلوگرم ۱۸۰ وات‌ساعت انرژي را در خود ذخيره مي‌كنند؛ اما اين نسبت براي باتري‌هاي گرافيني به ۱۰۰۰ وات‌ساعت به‌ازاي هر كيلوگرم مي‌رسد.
وزن كمتر، ظرفيت ذخيره‌سازي انرژي بيشتر و فعاليت در دماي پايين‌تر از جمله مزاياي باتري‌هاي گرافيني هستند.
مورد آخر، امنيت بالاتر باتري‌هاي گرافيني است. هرچند باتري‌هاي ليتيوم-يون از انديشه متخصصين ايمني پيشينه‌ي خوبي از خود به‌جاي گذاشته‌اند؛ اما در برخي موارد، محصولاتي معيوب نيز وجود داشته‌اند كه اشكالاتي را ايجاد كرده‌اند. گرم شدن بيش از اندازه، شارژ كردن بيش از حد و سوراخ‌شدن باتري‌هاي ليتيوم-يوني موجب از بين رفتن تعادل شيميايي و درنتيجه آتش‌سوزي مي‌شود. در نقطه‌ي مقابل، گرافين پايدارتر، انعطاف‌پذيرتر و مستحكم‌تر است و مقاومت بيشتري در مقابل اشكالات ذكر‌شده دارد.
البته نيازي نيست كه بين باتري‌هاي گرافيني و باتري‌هاي ليتيوم-يوني يكي را انتخاب كنيم. باتري‌هاي ليتيوم يوني مي‌توانند از گرافين براي بهبود كارايي رساناي كاتودي استفاده كنند. اين نوع از باتري‌ها به‌عنوان باتري‌هاي تركيبي اكسيد گرافين-فلز شناخته مي‌شوند. باتري‌هاي تركيبي وزن كمتر، سرعت شارژ بالاتر، ظرفيت ذخيره‌ي نيروي بيشتر و عمر طولاني‌تري در مقايسه با باتري‌هاي امروزي دارند. احتمالا اولين باتري‌هاي گرافيني كه در اختيار مصرف‌كنندگان قرار مي‌گيرند هم از نوع تركيبي خواهند بود.
باتري‌هاي گرافيني و موبايل‌هاي هوشمند آينده
موبايل‌هاي هوشمندي كه در آينده از باتري‌هاي گرافيني استفاده خواهند كرد، از مزايايي كه پيش از اين در مطلب پيش‌رو ذكر شد بهره‌مند خواهند بود. زمان شارژ شدن موبايل‌ها كوتاه‌تر خواهد بود و باتري‌ها به‌راحتي يك تا دو روز استفاده را دوام مي‌آورند، هرچند كه اين زمان ممكن است بيشتر هم باشد. همچنين، دستگاه‌هاي آتي سبك‌تر و باريك‌تر خواهند بود.
ظرفيت باتري‌هاي گرافيني، در مقايسه با نمونه‌هاي ليتيوم-يوني با اندازه‌ي مشابه، ۶۰ درصد بيشتر خواهد بود. به‌واسطه‌ي دفع بهتر حرارت كه موجب خنك ماندن دستگاه مي‌شود، عمر موبايل‌ها نيز بيشتر مي‌شود. ديگر لازم نخواهد بود تا پس از دو سال، هزينه‌ي بالايي براي تعويض باتري پرداخت كنيد و كارايي دستگاه‌ها پس از گذشت زمان كاهش پيدا نمي‌كند.
به‌لطف باتري‌هاي گرافيني، دستگاه‌هايي با اندازه‌ي دستگاه‌هاي كنوني، طرفيت ذخيره‌ي نيروي بيشتري خواهند داشت. يكي از فوائد استفاده از باتري‌هاي گرافيني، شارژ سريع بين دو دستگاه خواهد بود. باتري‌هايي كه از انتقال جريان بيشتر همراهي مي‌كنند، امكان شارژ بسيار سريع‌تر را هم فراهم مي‌كنند. از اين رو، مي‌توان با سرعت بالا نيرو را از دستگاهي به دستگاه ديگر منتقل كرد.
اگرچه چند سالي با آماده شدن باتري‌هاي گرافيني فاصله داريم؛ اما اين نوآوري نويد آينده‌ي روشني را در زمينه‌ي موبايل‌ها و ديگر دستگاه‌هاي هوشمند مي‌دهد. پس بهتر است توجه بيشتري به اين فناوري داشته باشيم.
هم انديشي ها