Grafena dan bateri

Graphene, kepingan atom karbon yang diikat bersama dalam corak kekisi sarang lebah, amat diiktiraf sebagai "bahan ajaib" kerana pelbagai sifat menakjubkan yang dimilikinya. Ia adalah konduktor tenaga elektrik dan haba yang kuat, sangat ringan lengai secara kimia, dan fleksibel dengan luas permukaan yang besar. Ia juga dianggap mesra alam dan mampan, dengan kemungkinan tanpa had untuk pelbagai aplikasi.

Imej kelebihan bateri grapheneKelebihan bateri graphene

Dalam bidang bateri, bahan elektrod bateri konvensional (dan yang akan datang) bertambah baik dengan ketara apabila dipertingkatkan dengan graphene. Bateri graphene boleh menjadi ringan, tahan lama dan sesuai untuk penyimpanan tenaga berkapasiti tinggi, serta memendekkan masa pengecasan. Ia akan memanjangkan hayat bateri, yang dikaitkan secara negatif dengan jumlah karbon yang disalut pada bahan atau ditambahkan pada elektrod untuk mencapai kekonduksian, dan graphene menambah kekonduksian tanpa memerlukan jumlah karbon yang digunakan dalam bateri konvensional.

Graphene boleh menambah baik sifat bateri seperti ketumpatan tenaga dan bentuk dalam pelbagai cara. Bateri li-ion (dan jenis bateri boleh dicas semula yang lain) boleh dipertingkatkan dengan memperkenalkan graphene pada anod bateri dan memanfaatkan kekonduksian bahan dan ciri kawasan permukaan yang besar untuk mencapai pengoptimuman dan prestasi morfologi.

Ia juga telah ditemui bahawa mencipta bahan hibrid juga boleh berguna untuk mencapai peningkatan bateri. Hibrid Vanadium Oxide (VO2) dan graphene, sebagai contoh, boleh digunakan pada katod Li-ion dan memberikan pengecasan dan nyahcas pantas serta ketahanan kitaran pengecasan yang besar. Dalam kes ini, VO2 menawarkan kapasiti tenaga yang tinggi tetapi kekonduksian elektrik yang lemah, yang boleh diselesaikan dengan menggunakan graphene sebagai sejenis "tulang belakang" struktur untuk memasang VO2 – mencipta bahan hibrid yang mempunyai kapasiti tinggi dan kekonduksian yang sangat baik.

Contoh lain ialah bateri LFP (Lithium Iron Phosphate), iaitu sejenis bateri Li-ion yang boleh dicas semula. Ia mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih rendah daripada bateri Li-ion lain tetapi ketumpatan kuasa yang lebih tinggi (penunjuk kadar tenaga boleh dibekalkan oleh bateri). Mempertingkatkan katod LFP dengan graphene membolehkan bateri menjadi ringan, mengecas lebih cepat daripada bateri Li-ion dan mempunyai kapasiti yang lebih besar daripada bateri LFP konvensional.

Selain merevolusikan pasaran bateri, gabungan penggunaan bateri graphene dan graphene superkapasitor boleh membuahkan hasil yang menakjubkan, seperti konsep yang terkenal untuk menambah baik jarak pemanduan dan kecekapan kereta elektrik. Walaupun bateri graphene belum mencapai pengkomersilan yang meluas, penemuan bateri dilaporkan di seluruh dunia.

Asas bateri

Bateri berfungsi sebagai sumber kuasa mudah alih, membolehkan peranti yang dikendalikan oleh elektrik berfungsi tanpa dipalamkan terus ke soket. Walaupun banyak jenis bateri wujud, konsep asas ia berfungsi kekal sama: satu atau lebih sel elektrokimia menukar tenaga kimia yang disimpan kepada tenaga elektrik. Bateri biasanya diperbuat daripada selongsong logam atau plastik, mengandungi terminal positif (anod), terminal negatif (katod) dan elektrolit yang membolehkan ion bergerak di antaranya. Pemisah (membran polimer telap) mencipta penghalang antara anod dan katod untuk mengelakkan litar pintas elektrik sambil juga membenarkan pengangkutan pembawa cas ionik yang diperlukan untuk menutup litar semasa laluan arus. Akhir sekali, pengumpul digunakan untuk menjalankan pengecasan di luar bateri, melalui peranti yang disambungkan.

Imej skema bateri

Apabila litar antara dua terminal siap, bateri menghasilkan elektrik melalui satu siri tindak balas. Anod mengalami tindak balas pengoksidaan di mana dua atau lebih ion daripada elektrolit bergabung dengan anod untuk menghasilkan sebatian, membebaskan elektron. Pada masa yang sama, katod melalui tindak balas pengurangan di mana bahan katod, ion dan elektron bebas bergabung menjadi sebatian. Ringkasnya, tindak balas anod menghasilkan elektron manakala tindak balas dalam katod menyerapnya dan daripada proses itu elektrik dihasilkan. Bateri akan terus menghasilkan elektrik sehingga elektrod kehabisan bahan yang diperlukan untuk penciptaan tindak balas.

Jenis dan ciri bateri

Bateri dibahagikan kepada dua jenis utama: primer dan sekunder. Bateri utama (boleh guna), digunakan sekali dan menjadi tidak berguna kerana bahan elektrod di dalamnya tidak dapat dipulihkan semasa pengecasan. Contoh biasa ialah bateri zink-karbon serta bateri beralkali yang digunakan dalam mainan, lampu suluh dan pelbagai peranti mudah alih. Bateri sekunder (boleh dicas semula), boleh dinyahcas dan dicas semula beberapa kali kerana komposisi asal elektrod dapat memperoleh semula kefungsian. Contohnya termasuk bateri asid plumbum yang digunakan dalam kenderaan dan bateri litium-ion yang digunakan untuk elektronik mudah alih.

Bateri datang dalam pelbagai bentuk dan saiz untuk pelbagai tujuan yang tidak terkira banyaknya. Jenis bateri yang berbeza memaparkan kelebihan dan kekurangan yang berbeza. Bateri Nikel-Kadmium (NiCd) agak rendah dalam ketumpatan tenaga dan digunakan di mana hayat yang panjang, kadar nyahcas yang tinggi dan harga yang menjimatkan adalah kuncinya. Ia boleh didapati dalam kamera video dan alatan kuasa, antara kegunaan lain. Bateri NiCd mengandungi logam toksik dan tidak mesra alam. Bateri nikel-logam hidrida mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi daripada yang NiCd, tetapi juga hayat kitaran yang lebih pendek. Aplikasi termasuk telefon bimbit dan komputer riba. Bateri Plumbum-Asid adalah berat dan memainkan peranan penting dalam aplikasi kuasa besar, di mana berat bukan intipati tetapi harga ekonomi. Ia lazim dalam kegunaan seperti peralatan hospital dan lampu kecemasan.

Bateri Litium-Ion (Li-ion) digunakan di mana tenaga tinggi dan berat minimum adalah penting, tetapi teknologinya rapuh dan litar perlindungan diperlukan untuk memastikan keselamatan. Aplikasi termasuk telefon bimbit dan pelbagai jenis komputer. Bateri Lithium Ion Polymer (Li-ion polymer) kebanyakannya terdapat dalam telefon bimbit. Ia ringan dan menikmati bentuk yang lebih langsing daripada bateri Li-ion. Mereka juga biasanya lebih selamat dan mempunyai kehidupan yang lebih lama. Walau bagaimanapun, ia kelihatan kurang lazim kerana bateri Li-ion lebih murah untuk dihasilkan dan mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi.

Bateri dan supercapacitors

Walaupun terdapat jenis bateri tertentu yang mampu menyimpan sejumlah besar tenaga, ia sangat besar, berat dan melepaskan tenaga secara perlahan. Kapasitor, sebaliknya, dapat mengecas dan menyahcas dengan cepat tetapi menahan lebih sedikit tenaga daripada bateri. Penggunaan graphene di kawasan ini, bagaimanapun, memberikan kemungkinan baharu yang menarik untuk penyimpanan tenaga, dengan kadar caj dan nyahcas yang tinggi dan juga kemampuan ekonomi. Prestasi dipertingkatkan graphene dengan itu mengaburkan garis perbezaan konvensional antara superkapasitor dan bateri.

Imej bateri lwn. supercapacitorsBateri graphene menggabungkan kelebihan kedua-dua bateri dan supercapacitors

Bateri yang dipertingkatkan graphene hampir tiba

Bateri berasaskan graphene mempunyai potensi yang menarik dan walaupun ia belum tersedia sepenuhnya secara komersial, R&D adalah intensif dan diharapkan akan membuahkan hasil pada masa hadapan. Syarikat di seluruh dunia (termasuk Samsung, Huawei dan lain-lain) sedang membangunkan pelbagai jenis bateri yang dipertingkatkan graphene, beberapa daripadanya kini memasuki pasaran. Aplikasi utama adalah dalam kenderaan elektrik dan peranti mudah alih.

Sesetengah bateri menggunakan graphene dengan cara persisian – bukan dalam kimia bateri. Contohnya pada tahun 2016, Huawei melancarkan bateri Li-Ion yang dipertingkatkan graphene baharu yang menggunakan graphene untuk kekal berfungsi pada suhu yang lebih tinggi (60° darjah berbanding had 50° sedia ada) dan menawarkan dua kali ganda masa operasi. Graphene digunakan dalam bateri ini untuk pelesapan haba yang lebih baik – ia mengurangkan suhu operasi bateri sebanyak 5 darjah.

 

sumber: Bateri graphene: Pengenalan dan Berita Pasaran | Graphene-Info