ما هي بطاريات الجرافين؟ وكيف ستجعل صناعة السيارات الكهربائية والهواتف الذكية أكثر صداقة للبيئة؟

تمثل البطاريات مصدر طاقةٍ مستقل، فهي ليست بحاجة إلى توصيلها دائماً بسلكٍ كهربائي أو مقبس. وعندما تنفد الطاقة المخزنة فيها، يمكن شحنها بواسطة شواحن البطاريات، ثم تعود لتصبح مصدر طاقة مستقل مجدداً.

هناك العديد من أنواع من البطاريات المستخدمة اليوم، مثل البطاريات الصغيرة غير القابلة للشحن التي تشغّل الساعات وألعاب الأطفال، وبطاريات الليثيوم التي تستخدم في الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية، وأنواع أخرى أقل شيوعاً.

تعتبر بعض المواد التي تستخدم في البطاريات ضارة بالبيئة، ما أدى إلى صعوبات في التخلص من هذه البطاريات عندما تتلف، لهذا السبب، برزت الحاجة إلى تطوير نوعٍ جديد من البطاريات تستخدم فيها مواد صديقة للبيئة، بالإضافة لضرورة جعل هذه البطاريات تدوم لفترة أطول. كل ذلك أدى ذلك إلى اختراع بطاريات الجرافين.

ابتكار الجرافين

لكن ما هو الجرافين بالضبط؟ الجرافين (Graphene) هو مادة ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من الكربون، بنيتها البلورية سداسية الشكل، لذا فإنها تسمى أيضاً قرص العسل. تبلغ سماكة طبقة الجرافين ذرة كربون واحدة.

لا توجد هذه المادة الشفافة في الطبيعة، بل يتم إنتاجها فقط في المختبر، وتتميز بـ 3 خصائص فريدة:

تتكون فقط من عنصر الكربون، وهو عنصر متوفر بكثرة على الأرض ومنخفض التكلفة.
تتمتع بمقاومة مثل الألماس، أي البقاء لفترة طويلة من الزمن دون أن تتحلل.
تتمتع بمرونة مثل البلاستيك.

بالإضافة إلى ذلك، يتميز الجرافين بأنه موصل جيد للحرارة والكهرباء، هذه الميزة تجعله مفيداً بشكلٍ خاص لقطاع التكنولوجيا.

نظراً لهذه المزايا الفريدة، تم استخدام الجرافين في صناعة الترانزستورات، وحالياً تتوسع استخدامات هذه المادة. كما أن الجرافين لا يلوث البيئة، ويمكن استخدامه في أي صناعة، كما يمكن إعادة تدويره واستخدامه بكل سهولة.

بطاريات الجرافين

بحسب الموقع الرسمي للاتحاد الأوروبي، كان عدد البطاريات التالفة التي تم تجميعها في دول الاتحاد كنفايات 100 ألف بطارية في عام 2019. هذه البطاريات التالفة يصعب التخلص منها وتصعب إعادة تدويرها، ما يجعلها خطراً على البيئة.

تتوقع الشركات المصنعة للهواتف الذكية أن تحل بطاريات الجرافين مشكلة نفايات البطاريات، كما ستؤدي لإنتاج بطاريات منخفضة التكلفة وذات جودة عالية.

كيف تعمل بطارية الجرافين؟

لا تختلف بطاريات الجرافين من حيث الشكل والتصميم عن البطاريات التقليدية، الاختلاف الوحيد هو استخدام مادة الجرافين كأقطاب كهربائية في البطارية، هذا سيساهم في تحسين سعة البطارية وسرعة الشحن، بفضل الموصلية الكهربائية الفائقة والمرونة الممتازة والاستقرار الكيميائي الجيد ومساحة السطح الكبيرة التي تميز الجرافين.

لفهم أهمية مساحة السطح الكبيرة، عليك أن تعرف أن طبقة واحدة من الجرافين تزن أقل من 3 جرامات كافية لتغطية ملعب كرة قدم بالكامل (مساحة سطح طبقة جرافين يبلغ وزنها 1 جرام تبلغ 2630 متراً مربعاً). يمكن ضغط مساحة السطح الضخمة هذه في حيز صغير داخل البطارية، ما يتيح تصميم هذه البطارية لتكون ذات سطح كبير، وبالتالي تكون قادرة على تخزين كميات أكبر من الطاقة.

بطاريات الجرافين للهواتف الذكية

أظهرت التجارب الأولية على بطاريات الجرافين نتائج مذهلة للغاية؛ إذ بينت أن هذه البطاريات توفر قدرات شحن تفوق بطاريات الليثيوم بكثير. كما يمكن شحنها خلال عدة ثوانٍ، ويمكن إعادة شحنها لعدد غير محدود من المرات.

تمت تسمية بطارية الجرافين أيضاً باسم "البطارية التي لا تتحلل"، نظراً لخصائصها المتمثلة في المتانة وعدم التآكل حتى لو تم استخدامها لفترة طويلة.

بطاريات الجرافين للسيارات

يرغب الكثير من المستهلكين في شراء سيارات كهربائية لأنها لا تسبب انبعاثات ضارة بالبيئة، وعلى الرغم من أن بعض السيارات الكهربائية توفر بطاريات ذات قدرات جيدة من حيث مدة الشحن وكمية الطاقة التي يمكن تخزينها، إلا أنه لتحويل السيارات الكهربائية لسيارات أكثر صداقة للبيئة، يجب استخدام بطاريات لا يؤدي التخلص منها إلى ضرر بيئي، ويبدو أن مصنعي السيارات الكبار ينظرون بتفاؤل إلى بطاريات الجرافين.

متى ستكون بطاريات الجرافين متاحة تجارياً؟

ما سبق ذكره عن الجرافين يبدو رائعاً، لكن هناك عقبة كبيرة، فعلى الرغم من أن إنتاج الجرافين ممكن في المختبر، إلا أن إنتاجه تجارياً بكميات ضخمة غير ممكن حتى الآن، ولولا تحدي الإنتاج الضخم لهذه المادة، لكانت موجودة ومستخدمة في الصناعات المختلفة والبطاريات منذ زمن بعيد.

الموعد الذي ستكون فيه هذه المادة متاحة للاستخدام على نطاقٍ واسع غير معروف، لكن الخبر السار هو أن هناك العديد من الأفكار التي تعد بإنتاجها بكميات ضخمة، وبمجرد نجاح هذه الأفكار، ستبدأ الشركات في استخدام الجرافين لتصنيع البطاريات على الفور، وقد يحدث ذلك خلال هذا العقد. ومن المتوقع أن تستخدم مادة الجرافين أيضاً في العديد من الصناعات الأخرى نظراً لمزاياها التي لا نجدها في أي مادة أخرى.

بحسب التقديرات، إذا أمكن استبدال كل البطاريات الحالية ببطاريات الجرافين، ستنخفض تكلفة إنتاج الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية، وستقل كمية البطاريات التي يتم التخلص منها، كون هذه البطاريات يمكن استخدامها لفترة طويلة ثم إعادة تدويرها بسهولة.