آیا گرافن، باتری‌ خودروهای الکتریکی را متحول می‌کند؟

 مساحت سطحی بزرگ گرافن امکان تعداد مکان‌های فعال بیشتری را فراهم می‌کند و واکنش‌های الکتروشیمیایی بیشتری را تسهیل می‌کند و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی در باتری‌های گرافنی وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش می‌دهد.

ساختارهای گرافن سه‌بعدی، مانند هیدروژل و آئروژل، سطح وسیع و تخلخل بالایی را ارائه می‌دهند و بارگذاری مواد فعال و دسترسی الکترولیت‌ها را افزایش می دهند. الکترودهای مبتنی بر گرافن برای استفاده در باتری‌های لیتیوم یون (LIBs)، باتری‌های یون سدیم (SIB)، باتری‌های یون فلزی چند ظرفیتی (ZIBs، AIBs) و باتری‌های لیتیوم-گوگرد (باتری‌های Li-S) امیدوارکننده هستند.

الکترودهای گرافن منعطف پایداری مکانیکی عالی، ظرفیت بالا، شارژ سریع و چرخه شارژ/دشارژ بالا را نشان می‌دهند که آنها را برای کاربردهای مختلف در سیستم‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر مناسب می‌سازد. تحقیقات بیشتری برای بهینه سازی و توسعه آندهای انعطاف‌پذیر برای باتری‌های Li-S مورد نیاز است.

باتری‌های یون سدیم با چالش‌هایی در پایداری طولانی‌مدت و قابلیت سرعت بالا مواجه هستند. برای غلبه بر این مشکلات، محققان در یک مطالعه در سال 2019 یک معماری مبتنی بر گرافن با نانوالیاف کربنی با نفوذ عمودی (CNFs) و نانوذره‌های دی سولفید مولیبدن (MoS2) را توسعه دادند. این ساختار گرافن باعث افزایش یکپارچگی مکانیکی و هدایت الکتریکی می‌شود.

باتری به‌دست‌آمده عملکرد الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای را نشان می‌دهد، از جمله ظرفیت ویژه 598 میلی‌آمپر ساعت در گرم، پایداری طولانی‌مدت و چرخه شارژ/دشارژ تا 1000 سیکل، نرخ عالی حتی در چگالی جریان بالا در این باتری به دست آمد. سطح بزرگ، رسانایی بالا و استحکام مکانیکی گرافن آن را به یک ماده کربنی ایده‌آل برای کاربردهای باتری تبدیل کرده است. معماری منحصربه‌فرد گرافن CNF با MoS2 نویدبخش توسعه باتری‌های سدیم یونی با کارایی بالا با بهبود پایداری و قابلیت سرعت است.

یکی از نگرانی‌های اصلی مرتبط با باتری‌های EV سنتی در مقایسه با باتری‌های گرافن EV، زمان مورد نیاز برای شارژ این باتری‌ها است؛ زیرا باتری‌های لیتیوم یون سنتی چندین ساعت طول می‌کشند تا به شارژ کامل برسند و راحتی و قابلیت استفاده خودروهای الکتریکی را محدود می‌کنند. باتری‌های گرافنی EV راه‌حلی برای این چالش با فعال کردن زمان‌های شارژ سریع‌تر با امکان انتقال سریع یون در مواد الکترود باتری ارائه می‌کنند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که با استفاده از گرافن، به زودی می‌توان یک وسیله نقلیه الکتریکی را در عرض چند دقیقه به جای چند ساعت شارژ کرد.

هدایت حرارتی بهبود یافته باتری‌های گرافنی کمک می‌کند تا گرما را به طور مؤثرتری در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ دفع کنیم و خطر گرم شدن بیش از حد را کاهش دهیم و با این کار ایمنی باتری‌های گرافن EV را افزایش دهیم، نگرانی‌های مربوط به آتش‌سوزی باتری‌ها را برطرف کنیم و سیستم ذخیره‌سازی انرژی قابل اعتماد و مطمئنی را تضمین کنیم.

مواد کامپوزیتی مبتنی بر گرافن برای ایجاد الکترودهای نازک‌تر و سبک‌تر برای باتری‌های گرافنی وسایل نقلیه الکتریکی بدون به خطر انداختن عملکرد استفاده می‌شوند که منجر به بهبود بهره‌وری انرژی و افزایش برد رانندگی به دلیل کاهش وزن کلی خودرو می‌شود. علاوه بر این، ماهیت جمع و جور باتری‌های گرافنی، امکان بسته‌بندی کارآمدتر را فراهم می‌کند و به حداکثر رساندن فضای موجود در داخل خودرو و افزایش انعطاف‌پذیری طراحی منجر می‌شود.

از آنجا که جهان به دنبال انتقال به آینده‌ای پاک‌تر و پایدارتر است، استفاده از باتری‌های گرافنی در وسایل نقلیه الکتریکی نشان‌دهنده گام مهمی در تحول در بخش حمل و نقل است. در حالی که گرافن ظرفیت بسیار زیادی برای متحول کردن باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی دارد، چندین چالش باید قبل از پذیرش گسترده باتری‌های گرافنی مورد توجه قرار گیرد.

مقیاس‌پذیری تولید گرافن، مقرون به صرفه بودن و ادغام در فرآیندهای تولید باتری موجود، از جمله حوزه‌های کلیدی مورد توجه محققان و کارشناسان صنعت است. با وجود این چالش‌ها، پیشرفت در باتری‌های گرافنی EV برای ذخیره‌سازی انرژی امیدوارکننده است. با تحقیق و توسعه مداوم، انتظار می‌رود ادغام باتری‌های گرافن EV در سال‌های آینده کاربردی‌تر و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر شود.