تعزيز بطاريات الليثيوم-أيون: تقنية الجرافين الجديدة تتميز بموصلية حرارية أعلى بـ10 أضعاف من الحلول الحالية

الجرافين والبطاريات

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose تم تكريم اكتشافها بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2019.

إحدى هذه البدائل هي البطاريات التي تستخدم الجرافين.

ذلك لأن الجرافين هو “مادة معجزة”، مكوّن من طبقة واحدة من ذرات الكربون. وهذا يمنحه خصائص كهربائية استثنائية. لقد شرحنا المزيد عن الجرافين، وكذلك عن مواد “2D” الأخرى مثل البوروفين والذهبين في مقال “المواد ثنائية الأبعاد، مثل الجرافين، تفتح آفاقًا جديدة في علوم المواد”.

الخصائص الكهربائية ليست الوحيدة التي تجعل الجرافين استثنائيًا. فهو أيضًا ملحوظ بفضل موصليته الحرارية، مما يجعله قادرًا على نقل الحرارة بسرعة هائلة.

المصدر: GMG

يمكن أن تكون هذه الخاصية الحرارية تحولًا لتقنية البطاريات، وعلى نحو متناقض، قد يساعد الجرافين في الحفاظ على بطاريات الليثيوم-أيون كالتقنية السائدة على الكيميائيات البديلة، بما في ذلك البطاريات القائمة على الجرافين.

يمكن أن يحدث ذلك بفضل اكتشاف قام به باحثون في جامعة سوانسي (المملكة المتحدة)، بالتعاون مع جامعة ووهان للتكنولوجيا وجامعة شنتشن (الصين). وقد كشفوا عن نتائجهم في ورقة علمية نُشرت في مجلة Nature Chemical Engineering تحت عنوان “مجمعات التيار واسعة النطاق لتنظيم نقل الحرارة وتعزيز سلامة البطاريات”.

قيود الجرافين

على الورق، الجرافين مادة معجزة يجب أن تُحدث ثورة في العديد من الصناعات، من تصنيع البطاريات إلى أي شيء يستخدم الكهرباء، بما في ذلك الحواسيب والألواح الشمسية، وحتى الخرسانة والنانوروبوتات في مجرى دمنا.

في الواقع، يعاني الجرافين من بعض القيود:

• التصنيع على نطاق: كان شريط الشريط اللاصق المطبق على قطعة من الجرافيت كافيًا لاكتشاف الجرافين. لكن طرقًا أكثر تعقيدًا مثل الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) مطلوبة للإنتاج الضخم.
• التكاليف: معظم طرق الإنتاج والتطبيقات على الأجهزة الحالية هي في الغالب على نطاق صغير أو مخصصة، والمواد ثنائية الأبعاد لا تزال باهظة الثمن. يمكن أن يختلف السعر الفعلي بشكل كبير حسب النقاء، على سبيل المثال يتراوح سعر الجرافين بين 20-2000 دولار/كغ.

بالطبع، المرتبطان هذان المشكلان، حيث أن الإنتاج على نطاق صغير يزيد التكاليف. حتى الآن، عرقل ذلك بشكل كبير تبني الجرافين على نطاق واسع، مما جعل معظم وعود هذه المادة لا تزال غير محققة، على الرغم من اكتشافه قبل 20 عامًا في عام 2004.

القدرة على إنتاج مواد قائمة على الجرافين بأحجام كبيرة هي المفتاح لتقليل التكاليف والسماح بتطبيقات على نطاق صناعي.

هذه مسألة تصنيع وتكنولوجية بحتة، حيث أن الجرافين مكوّن من الكربون، مادة وفيرة ورخيصة. لذا لا يعاني من مشكلة المواد النادرة مثل، على سبيل المثال، محفزات إنتاج الهيدروجين التي تستخدم معادن نادرة مثل البلاديوم أو البلاتين.

وبالتالي، يمتلك الجرافين القدرة على إحداث ثورة حقيقية في أنظمتنا الطاقية، دون مواجهة حدود نضوب الموارد عند نشره على نطاق واسع.

صنع كيلومترات من الجرافين

هذه المشكلة المتعلقة بالإنتاج على نطاق واسع هي ما يدعي الباحثون في الورقة المذكورة أعلاه أنهم حلّوا جزئيًا.

تنشر الباحثون في ورقتهم “تفصيل أول بروتوكول ناجح لتصنيع رقائق جرافين خالية من العيوب على نطاق تجاري”.

يمكن استخدام الطريقة الموضحة في الورقة العلمية لإنشاء رقائق جرافين بأطوال تتراوح بين الأمتار والكيلومترات.

حتى في بيئة مختبرية غير مخصصة للإنتاج الضخم، تمكنوا من إنشاء رقاقة جرافين بطول 200 متر وسماكة 17 ميكرومتر.

هذه الرقاقة أيضًا مقاومة بشكل ملحوظ وقد تم إثبات أنها تحتفظ بموصلية كهربائية عالية حتى بعد ثنيها أكثر من 100,000 مرة.

لذلك يمكن الافتراض بأمان أنه سيكون من الممكن نشرها في الإلكترونيات المرنة، التصنيع الصناعي، وتطبيقات أخرى حيث يُستخدم الجرافين لتوليد تيارات قوية.

ماذا يمكن أن تفعل رقائق الجرافين؟

بطاريات الليثيوم-أيون عرضة لمخاطر رئيسية تُسمى الانفجار الحراري. يحدث ذلك عندما يتراكم حرارة زائدة في جزء من البطارية، مما يؤدي غالبًا إلى فشل البطارية مع حرائق أو انفجارات خطرة.

هذه المشكلة هي أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل العديد من الباحثين وشركات البطاريات يبحثون عن بدائل للليثيوم-أيون باستخدام كيميائيات بديلة مثل الصوديوم-أيون. يتم استكشاف العديد من الحلول البديلة، على سبيل المثال، الإلكتروليتات الهلامية.

يحدث الانفجار الحراري في الغالب عند مجمعات التيار في البطارية، حيث يتركز معظم الطاقة. في بطاريات الليثيوم-أيون الحالية، تُصنع مجمعات التيار عادةً من الألمنيوم أو النحاس.

يمكن لمجمعات التيار المصنوعة من الجرافين التي طورها الباحثون باستخدام رقاقة الجرافين أن تعرض موصلية حرارية تصل إلى 1,400.8 واط م⁻¹ ك⁻¹. للمقارنة، هذا أعلى تقريبًا بـ10 أضعاف من مجمعات التيار المصنوعة من النحاس أو الألمنيوم.

المصدر: Nature Chemical Engineering

 تداعيات على بطاريات الليثيوم-أيون

نظرًا لأن رقاقة الجرافين تظهر تبديدًا سريعًا للحرارة، فإنها تقضي على خطر تركّز الحرارة المحلي عندما يتدفق التيار.

وبالتالي، يزيل ذلك مخاطر تفاعلات الألومينوترميك وتفاعلات تطور الهيدروجين التي تُعد خطوات حاسمة تؤدي إلى انتشار فشل البطارية وخطر الحريق.

“توفر بنية الجرافين الكثيفة والمحاذية حاجزًا قويًا ضد تكوّن الغازات القابلة للاشتعال وتمنع الأكسجين من اختراق خلايا البطارية، وهو أمر حاسم لتجنب الفشل الكارثي”، الدكتور جينلونغ يانغ، المؤلف المشارك.

ربما الأهم من ذلك، أن الطريقة أثبتت بالفعل إمكانية نشرها مع التصنيع الضخم لرقائق الجرافين. لذا يمكن دمجها بسرعة في عمليات تصنيع البطاريات الحالية.

“هذه خطوة مهمة إلى الأمام لتقنية البطاريات. طريقتنا تسمح بإنتاج مجمعات التيار المصنوعة من الجرافين على نطاق وجودة يمكن دمجهما بسهولة في تصنيع البطاريات التجارية. هذا لا يحسن فقط سلامة البطاريات من خلال إدارة الحرارة بفعالية بل يعزز أيضًا كثافة الطاقة وطول العمر.” الدكتور روي تان، المؤلف المشارك.

مستقبل تطبيقات رقاقة الجرافين

يبحث الباحثون بالفعل عن طرق لتقليل سماكة رقائق الجرافين وتعزيز خصائصها الميكانيكية أكثر.

كما أنهم يدرسون كيف يمكن لرقاقة الجرافين المساعدة في تصميم بطاريات تدفق أفضل وبطاريات الصوديوم-أيون، بالتعاون مع فريق بحثي آخر في جامعة سوانسي، تحت قيادة الأستاذة سيرينا مارغودونا.

ناقشنا سابقًا بطاريات الليثيوم-أيون ذات الخلية السداسية التي تزيل خطر فشل البطارية نتيجة نمو الشُعب. إذا كان بالإمكان كبح الانفجار الحراري أيضًا بفضل رقاقة الجرافين، فقد يجعل ذلك بطاريات الليثيوم-أيون أكثر أمانًا ومتانةً من النسخة الحالية.

المصدر: Chemistry Europe

يتبع هذا بشكل عام نمط معظم الابتكارات في مجال متخصص من تقنيات البطاريات لتصبح قابلة للاستخدام في تصاميم أخرى، مما يساهم في تغذية التقدم السريع للصناعة.

(يمكنك أيضًا معرفة المزيد عن تقنية البطاريات في مقالاتنا “مستقبل التنقل – تقنية البطاريات” و “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية البطاريات على نطاق المرافق”.)

الاستثمار في تقنية البطاريات

لقد غيرت بطاريات الليثيوم-أيون العالم عدة مرات بالفعل، من تمكين الناس من حمل الإلكترونيات المتقدمة في كل مكان إلى تشغيل السيارات بالكهرباء فقط.

قد تستمر في فعل ذلك مرة أخرى، أو قد تظهر أنواع أخرى من البطاريات، من خلال تمكين شبكة طاقة متجددة بنسبة 100٪ أو تمكين كهربائية الطائرات عند الوصول إلى كثافة طاقة كافية.

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات بطاريات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، وصندوق Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) ، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.

أو يمكنك الاطلاع على مقالاتنا “أفضل 10 أسهم بطاريات للاستثمار فيها” و “أفضل 10 معادن بطاريات وأسهم تعدين الطاقة المتجددة”.

شركات البطاريات

1. Veeco

تُعد Veeco موردًا رئيسيًا للمعدات لصناعة تصنيع أشباه الموصلات منذ تأسيسها في عام 1945. تُستخدم أجهزتها في إنتاج شرائح EUV المتقدمة، هوائيات 5G، الأقراص الصلبة، LIDAR، LEDs، الإلكترونيات القوية للمركبات الكهربائية، وغيرها.

المصدر: Veeco

التركيز التكنولوجي الرئيسي للشركة هو نفس عملية CVD المستخدمة في إنتاج البوروفين وبعض الجرافين، أو بدقة أكثر، MOCVD (الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني).

المصدر: Veeco

كقائد في هذا القطاع المتخصص من صناعة أشباه الموصلات، قد تكون Veeco مرشحًا جيدًا للمراهنة على صعود المزيد من تطبيقات CVD.

قد ينشأ هذا النمو من الاستخدام المتزايد للجرافين، التنغستن، والبوروفين، مع تحسننا المستمر في التحكم بالمادة على المستوى الذري. وهذا يشمل الأفلام الرقيقة من الجرافين، بالإضافة إلى أشباه الموصلات المحتملة من الجرافين، والموصلات الفائقة، وغيرها.

كما سيستفيد أيضًا من الاتجاهات الضخمة للرقمنة، والذكاء الاصطناعي، والكهربائية، سواء استخدم المواد ثنائية الأبعاد بشكل كبير أم لا.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG هي شركة منتجة للجرافين ركّزت عروض منتجاتها على منتجات مثبتة بالفعل قائمة على الجرافين مثل طلاء الحرارة ومواد التشحيم.

هذا يجعل GMG خيارًا جيدًا للمستثمرين الباحثين عن تعرض مباشر لسوق الجرافين وشركة نشطة بالفعل في الإنتاج الضخم للجرافين وتحسين طريقة الإنتاج الحالية.

المصدر: GMG

بعض التطبيقات الإضافية قد تكون إنشاء أشباه موصلات الجرافين (انظر “أشباه موصلات الجرافين – هل وصلت أخيرًا؟”)، أو حتى الموصلات الفائقة عند درجة حرارة الغرفة. قد يُستخدم طلاء الجرافين أيضًا في البطاريات وتكنولوجيا أوعية ضغط الهيدروجين.

المصدر: GMG

تنتج GMG الجرافين من الميثان + الهيدروجين، وهو ما يختلف عن معظم منافسيها الذين ينتجونه من رواسب الجرافيت الطبيعية. وهذا يتيح نقاء أعلى، قابلية توسع أكبر، وإنتاج منخفض التكلفة.

أطلقت الشركة أول منشأة إنتاج لها في أستراليا عام 2023، بقدرة تصل إلى مليون لتر من إنتاج طلاء مبادل الحرارة سنويًا.

الخطوة التالية للشركة ستكون تقنية بطاريتها القائمة على أيون الألمنيوم الجرافيني، بكثافة 290 واط·ساعة/كغ، وشحن أسرع بـ60 مرة مقارنة ببطاريات الليثيوم-أيون، وعمر بطارية أعلى بـ3 أضعاف، وملف خطر حريق أفضل.

المصدر: GMG

قد يكون هذا الدخول إلى سوق البطاريات مخاطرة كبيرة بالنسبة لـ GMG، لكنه يمنحها أيضًا منظورًا فريدًا حول السوق المستقبلية التي قد تُفتح للجرافين، بما في ذلك في المركبات الكهربائية وتطبيقات الطاقة الأخرى.