قطعت الهواتف الذكية خطوات كبيرة في السنوات الأخيرة، وزاد عمر بطاريتها، ومع ذلك، ما زلنا لا نستطيع استخدام هواتفنا لمدة يومين أو ثلاثة أيام دون قلق. لكن من المرجح أن يتغير ذلك في المستقبل مع إدخال بطاريات الجرافين.
لم تجد بطاريات الجرافين طريقها بعد إلى الهواتف والأجهزة الأخرى، على الرغم من أن شركة سامسونغ تعمل على ذلك. في المستقبل، يمكن أن يحل الجرافين محل بطاريات الليثيوم أيون، وهي تقنية اعتمدت عليها الصناعات لمدة عقود عديدة.
نظرًا للتطورات الأخيرة في صناعة البطاريات والإنجازات التي حققتها العديد من الشركات، فمن المحتمل ألا ننتظر طويلًا قبل أن تحقيق تحسن كبير في شحن الأجهزة، وربما قبل نهاية العقد الحالي وبحلول عام 2030، سنشهد ثورة في هذا المجال هي ثورة في بطاريات الجرافين.
في هذا المقال، سنلقي نظرة فاحصة على هذه التقنية في هذه المقالة التالية:
مبدأ عمل بطاريات الغرافين
قبل أن نصل إلى بطارية الجرافين، دعونا نلقي نظرة على الجرافين نفسه وكيف يعمل.
باختصار، يتكون الجرافين من ذرات كربون متراصة بإحكام في هياكل سداسية الشكل أو قرص العسل. ما يجعل الجرافين فريدًا هو الهيكل المميز، الذي يزيد سمكه عن طبقة واحدة فقط من الذرة، وهذا ما يجعله صفيحة ثنائية الأبعاد.
يخلق هذا الهيكل ثنائي الأبعاد خصائص جذابة تشمل الموصلية الكهربائية والحرارية العالية، والمرونة الكبيرة، والقوة العالية، بالإضافة إلى الوزن المنخفض. هذه الخصائص تجعل من الجرافين مادة مناسبة لكثير من مختلف الصناعات، ولكن بالنسبة إلى الموصلات، فإن التوصيل الكهربائي والحراري يعتبر أكثر أهمية، وهو أعلى من النحاس، وهو المادة الأكثر شيوعًا بين المعادن الموصلة.
عندما يتعلق الأمر بالبطاريات، يمكننا استخدام الجرافين بعدة طرق. من الناحية المثالية، يمكن استخدام الجرافين في البطارية على شكل مكثف فائق. يقوم المكثف الفائق بتخزين التيار مثل البطاريات التقليدية، ولكن يمكنه الشحن والتفريغ بسرعات عالية للغاية.
على الرغم من هذه الميزة، لا يزال من غير الممكن اقتصاديًا إنتاج صفائح فائقة الرقة من الجرافين لاستخدامها في البطاريات والتقنيات الأخرى. يعد إنتاج الجرافين حاليًا مكلفًا للغاية، على الرغم من أن الأبحاث تساعد في تقليل هذه التكاليف.
في عام 2017، أعلنت شركة سامسونغ الكورية الجنوبية عن تقدم هائل في صناعة “كرة الجرافين”، ولكن لم يتم الإفصاح عن مزيد من التفاصيل منذ ذلك الحين.
إلى جانب شركات تصنيع الهواتف المحمولة، يمكن لصانعي السيارات الكهربائية أيضًا الاستفادة من بطاريات الجرافين، وكما يبدو أن شركة تسلا الأمريكية مهتمة بمثل هذه التكنولوجيا، خاصة مع نمو حصتها في سوق السيارات الكهربائية بشكل كبير في المستقبل.
الفرق بين بطاريات الجرافين وبطاريات الليثيوم أيون
تمامًا مثل بطاريات الليثيوم أيون، تستخدم خلايا الجرافين لوحين موصلين مطليين بمادة مسامية مغمورة في محلول إلكتروليتي. على الرغم من أوجه التشابه هذه، فإن كل منها يتمتع بخصائص مختلفة.
يتميز الجرافين بموصلية كهربائية أعلى من بطاريات الليثيوم أيون، وبسبب ذلك يتم شحن الخلايا بشكل أسرع وتوفر بالطبع تيارات أعلى. هذه الميزة ذات كفاءة عالية لبطاريات السيارات الكهربائية الضخمة. بالإضافة إلى ذلك، لدينا موصلية حرارية عالية، مما يعني انخفاض درجة حرارة بطارية الجرافين. سيؤدي خفض درجة الحرارة إلى إطالة عمر البطارية، خاصةً عندما تكون محصورة في مكان ضيق مثل الهاتف الذكي.
ميزة أخرى في بطاريات الجرافين على بطاريات أيونات الليثيوم هي سمكها ووزنها المنخفض. لهذا السبب من الممكن تزويد الهواتف ببطارية ذات سعة أكبر دون الحاجة إلى زيادة الحجم. يمكن للجرافين أيضًا تخزين سعة أكبر بكثير. يخزن أيون الليثيوم 180 واط كحد أقصى من الطاقة لكل كيلوغرام، بينما يصل هذا الرقم في الجرافين إلى 1000.
وفي النهاية يجب أن نذكر أمان الجرافين. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون آمنة نسبيًا وقد تسببت في مشاكل قليلة حتى الآن، إلا أن أسبابًا مثل ارتفاع درجة الحرارة والشحن الزائد والاختلالات الكيميائية يمكن أن تتسبب في انفجار بطاريات أيونات الليثيوم واشتعال النيران فيها. الجرافين أكثر ثباتًا ومرونة وقوة في هذا الخصوص، لذلك فهو يتمتع بمقاومة أعلى لمثل هذه المشاكل.
لاستخدام الجرافين في البطاريات، يمكنك الذهاب إلى بطاريات أيونات الليثيوم، وعلى سبيل المثال، تحسين أداء الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون مع الجرافين. من خلال هذا النهج، نواجه بطاريات هجينة، مما ينتج عنه وزن أقل وسرعة شحن أعلى وعمر أطول وسعة أعلى.
بطاريات الجرافين في الهواتف الذكية
يمكن أن تقدم الهواتف المستقبلية المجهزة بخلايا الجرافين العديد من الفوائد للمستخدمين. باستخدام بطاريات الجرافين، يمكن شحن الهواتف وبنوك الطاقة والأدوات بشكل أسرع من التقنيات الحالية. سيستغرق شحن الهواتف الذكية يومين بسهولة وربما أكثر حتى تحتاج لإعادة شحن البطارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون الهواتف المحمولة أقل سماكة وأخف وزناً.
إذا لم تقرر الشركة تقليل سمك أو وزن منتجها، فيمكنها استخدام بطارية جرافين بنفس حجم بطارية ليثيوم أيون، لكن هذه البطارية الجديدة ستتمتع بسعة أكبر تصل إلى 60٪. مع عدم وجود زيادة ملحوظة في درجة الحرارة، وهذا سوف يؤدي إلى أن يزداد عمر البطارية ولا نحتاج إلى استبدال بطارية الهاتف بعد وقت قصير.
أخيرًا، يمكن لبطاريات الجرافين أن تحدث فرقًا كبيرًا في عالم الهواتف الذكية، على الرغم من أننا ما زلنا بعيدين عن إنتاجها بكميات كبيرة، ولا ينبغي أن نتوقع توفر مثل هذه البطاريات التجارية على نطاق واسع في المستقبل القريب. ومع ذلك، تعد بطاريات الجرافين بمستقبل يمكننا فيه شحن هواتفنا الخلوية، حتى مرة واحدة في اليوم، حتى مع الاستخدام الكثيف، مع تقليل الحاجة إلى حمل بنك طاقة. بالطبع، يمكن للعديد من الصناعات، مثل صناعة السيارات، الاستفادة أيضًا من خصائص الجرافين.
