גרפן וסוללות
גרפן, יריעה של אטומי פחמן המחוברים יחדיו בתבנית סריג של חלת דבש, מוכרת מאוד כ"חומר פלא" בשל שלל התכונות המדהימות שיש לו. זהו מוליך חזק של אנרגיה חשמלית ותרמית, קל משקל אינרטי מבחינה כימית וגמיש עם שטח פנים גדול. זה גם נחשב ידידותי לסביבה ובר קיימא, עם אפשרויות בלתי מוגבלות עבור יישומים רבים.
היתרונות של סוללות גרפן
בתחום הסוללות, חומרי אלקטרודות סוללות קונבנציונליים (ופוטנציאליים) משתפרים משמעותית כאשר הם משופרים עם גרפן. סוללת גרפן יכולה להיות קלה, עמידה ומתאימה לאחסון אנרגיה בקיבולת גבוהה, כמו גם לקצר את זמני הטעינה. זה יאריך את חיי הסוללה, אשר קשורה באופן שלילי לכמות הפחמן שמצופה על החומר או מתווספת לאלקטרודות כדי להשיג מוליכות, וגרפן מוסיף מוליכות מבלי להידרש לכמויות הפחמן המשמשות בסוללות קונבנציונליות.
גרפן יכול לשפר תכונות סוללה כגון צפיפות אנרגיה וצורה בדרכים שונות. ניתן לשפר סוללות Li-ion (וסוגים אחרים של סוללות נטענות) על ידי הכנסת גרפן לאנודה של הסוללה וניצול מוליכות החומר ותכונות שטח הפנים הגדולות כדי להשיג אופטימיזציה וביצועים מורפולוגיים.
כמו כן, התגלה כי יצירת חומרים היברידיים יכולה להיות שימושית גם להשגת שיפור הסוללה. הכלאה של תחמוצת ונדיום (VO2) וגרפן, למשל, יכולים לשמש על קתודות Li-ion ולהעניק טעינה ופריקה מהירים כמו גם עמידות במחזור טעינה גדול. במקרה זה, VO2 מציע קיבולת אנרגיה גבוהה אך מוליכות חשמלית ירודה, אשר ניתן לפתור באמצעות גרפן כמעין "עמוד שדרה" מבני שעליו ניתן לחבר VO2 - יצירת חומר היברידי שיש לו גם יכולת מוגברת וגם מוליכות מעולה.
דוגמה נוספת היא סוללות LFP (Lithium Iron Phosphate), כלומר סוג של סוללת Li-ion נטענת. יש לו צפיפות אנרגיה נמוכה יותר מאשר סוללות Li-ion אחרות אך צפיפות הספק גבוהה יותר (אינדיקטור של הקצב שבו הסוללה יכולה לספק אנרגיה). שיפור קתודות LFP עם גרפן אפשר לסוללות להיות קלות משקל, להיטען הרבה יותר מהר מסוללות Li-ion ובעלות קיבולת גדולה יותר מאשר סוללות LFP קונבנציונליות.
בנוסף למהפכה בשוק הסוללות, שימוש משולב בסוללות גרפן וגרפן מנקי-על יכול להניב תוצאות מדהימות, כמו הרעיון המצוין של שיפור טווח הנסיעה והיעילות של המכונית החשמלית. בעוד שסוללות גרפן עדיין לא הגיעו למסחור נרחב, מדווחות על פריצות דרך של סוללות ברחבי העולם.
יסודות הסוללה
סוללות משמשות כמקור חשמל נייד, ומאפשרות למכשירים המופעלים בחשמל לעבוד מבלי להיות מחוברים ישירות לשקע. בעוד שקיימים סוגים רבים של סוללות, הרעיון הבסיסי שלפיו הן פועלות נותר דומה: תא אלקטרוכימי אחד או יותר ממירים אנרגיה כימית מאוחסנת לאנרגיה חשמלית. סוללה עשויה בדרך כלל מארז מתכת או פלסטיק, המכילה קצה חיובי (אנודה), קצה שלילי (קתודה) ואלקטרוליטים המאפשרים לנוע ביונים ביניהם. מפריד (ממברנה פולימרית חדירה) יוצר מחסום בין האנודה לקתודה למניעת קצרים חשמליים ובמקביל מאפשר העברה של נושאי מטען יוניים הדרושים לסגירת המעגל בזמן מעבר הזרם. לבסוף, אספן משמש להובלת הטעינה מחוץ לסוללה, דרך המכשיר המחובר.
כאשר המעגל בין שני המסופים הושלם, הסוללה מייצרת חשמל באמצעות סדרה של תגובות. האנודה חווה תגובת חמצון שבה שניים או יותר יונים מהאלקטרוליט מתחברים עם האנודה כדי לייצר תרכובת, המשחררת אלקטרונים. במקביל, הקתודה עוברת תגובת הפחתה שבה חומר הקתודה, יונים ואלקטרונים חופשיים מתחברים לתרכובות. במילים פשוטות, תגובת האנודה מייצרת אלקטרונים בעוד שהתגובה בקתודה סופגת אותם ומתוך תהליך זה מופק חשמל. הסוללה תמשיך לייצר חשמל עד שייגמר החומר הדרוש באלקטרודות ליצירת תגובות.
סוגי סוללות ומאפיינים
סוללות מתחלקות לשני סוגים עיקריים: ראשוני ומשני. סוללות ראשוניות (חד פעמיות), משמשות פעם אחת והופכות לחסרות תועלת שכן חומרי האלקטרודה בהן משתנים באופן בלתי הפיך במהלך הטעינה. דוגמאות נפוצות הן סוללת אבץ-פחמן וכן סוללת אלקליין המשמשת בצעצועים, פנסים ומספר רב של מכשירים ניידים. סוללות משניות (נטענות), ניתן לפרוק ולהטעין מספר רב של פעמים, מכיוון שההרכב המקורי של האלקטרודות מסוגל להחזיר את הפונקציונליות. דוגמאות כוללות סוללות עופרת-חומצה המשמשות בכלי רכב וסוללות ליתיום-יון המשמשות לאלקטרוניקה ניידת.
סוללות מגיעות בצורות ובגדלים שונים לאינספור מטרות שונות. סוגים שונים של סוללות מציגים יתרונות וחסרונות מגוונים. סוללות ניקל-קדמיום (NiCd) הן בצפיפות אנרגיה נמוכה יחסית והן משמשות כאשר חיים ארוכים, קצב פריקה גבוה ומחיר חסכוני הם המפתח. ניתן למצוא אותם במצלמות וידאו ובכלים חשמליים, בין היתר. סוללות NiCd מכילות מתכות רעילות ואינן ידידותיות לסביבה. לסוללות ניקל-מתכת הידריד יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאלו של NiCd, אך גם חיי מחזור קצרים יותר. היישומים כוללים טלפונים ניידים ומחשבים ניידים. סוללות עופרת חומצה הן כבדות וממלאות תפקיד חשוב ביישומי חשמל גדולים, שבהם המשקל אינו מהותי, אך המחיר הכלכלי כן. הם נפוצים בשימושים כמו ציוד לבתי חולים ותאורת חירום.
סוללות ליתיום-יון (Li-ion) משמשות במקומות שבהם חשובים אנרגיה גבוהה ומשקל מינימלי, אך הטכנולוגיה שבירה ונדרש מעגל הגנה כדי להבטיח בטיחות. היישומים כוללים טלפונים סלולריים וסוגים שונים של מחשבים. סוללות ליתיום יון פולימר (פולימר ליתיום יון) נמצאות בעיקר בטלפונים ניידים. הם קלים ונהנים מצורה דקה יותר מזו של סוללות Li-ion. הם גם בדרך כלל בטוחים יותר ובעלי חיים ארוכים יותר. עם זאת, נראה שהם פחות נפוצים מכיוון שסוללות Li-ion זולות יותר לייצור ובעלות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר.
סוללות וקבלי-על
אמנם ישנם סוגים מסוימים של סוללות המסוגלות לאגור כמות גדולה של אנרגיה, אך הן גדולות מאוד, כבדות ומשחררות אנרגיה לאט. קבלים, לעומת זאת, מסוגלים להיטען ולפרוק במהירות אך מחזיקים הרבה פחות אנרגיה מאשר סוללה. עם זאת, השימוש בגרפן בתחום זה מציג אפשרויות חדשות ומרגשות לאחסון אנרגיה, עם קצב טעינה ופריקה גבוהים ואפילו עלות כלכלית. ביצועים משופרים באמצעות גרפן מטשטשים בכך את קו ההבחנה המקובל ביניהם מנקי-על וסוללות.
סוללות גרפן משלבות את היתרונות הן של סוללות והן של קבלי-על
סוללות משופרות גרפן כמעט כאן
לסוללות מבוססות גרפן יש פוטנציאל מרגש ולמרות שהן עדיין אינן זמינות באופן מסחרי לחלוטין, המחקר והפיתוח אינטנסיבי ובתקווה יניב תוצאות בעתיד. חברות בכל העולם (כולל סמסונג, Huawei ואחרות) מפתחות סוגים שונים של סוללות משופרות בגרפן, שחלקן נכנסות כעת לשוק. היישומים העיקריים הם בכלי רכב חשמליים ומכשירים ניידים.
חלק מהסוללות משתמשות בגרפן בדרכים היקפיות - לא בכימיה של הסוללה. לדוגמה בשנת 2016, Huawei חשפה סוללת Li-Ion חדשה המשופרת בגרפן שמשתמש בגרפן כדי להישאר פונקציונלי בטמפרטורה גבוהה יותר (60 מעלות בניגוד למגבלה הקיימת של 50 מעלות) ולהציע זמן פעולה כפול. גרפן משמש בסוללה זו לפיזור חום טוב יותר - הוא מפחית את טמפרטורת הפעולה של הסוללה ב-5 מעלות.
