أنود الجرافيت

مادة أنود الجرافيت الجرافيت

لماذا تختار الجرافيت للأنودات؟

يُعرف الجرافيت بأنه أحد أكثر مواد الأنود استخدامًا على نطاق واسع في بطاريات أيونات الليثيوم في بطاريات أيونات الليثيوم بسبب الموصلية الإلكترونية العالية لكل من الطعوم السائبة والسطحية، بالإضافة إلى ثباته الكهروكيميائي خلال عمليات الإقحام/إزالة الإقحام التي تتضمن (إزالة) إدخال أيونات الليثيوم أثناء ركوب الدراجات. وهذا أمر مهم للبطاريات طويلة الأمد لأنه يعني أن أيونات الليثيوم يمكن أن تملأ بنية الجرافيت دون الإضرار بها. علاوة على ذلك, الجرافيت أقل ثقلًا بكثير وخامل كيميائيًا مقارنةً بالصلب أو مادة أخرى على سبيل المثال. وفي الواقع، يفضل أنود الجرافيت على الأقطاب الخاملة الأخرى.

أهمية التوصيلية

والسبب في اختيار الجرافيت للأنود هو أنه موصل جيد؛ فأثناء عملية الشحن أو التفريغ، يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية في الجرافيت. وهذا سيحافظ على شحنة البطارية لتزويد الطاقة لكل واحد من الأطر التي تعتمد عليها. هذا هو المفتاح، لأنه بدون الموصلية المذهلة للجرافيت لن تتمكن البطارية من العمل.

الجرافيت في بطاريات الليثيوم أيون

لا غنى عن أنودات الجرافيت في بطاريات الليثيوم أيون. عند الشحن، تتداخل أيونات الليثيوم بين طبقات الجرافيت. وعند التفريغ تنتقل الأيونات إلى المهبط حيث تولد هذه الحركة تياراً كهربائياً يمكن استخدامه لتشغيل أجهزتك. وقدرة الجرافيت على تخزين كميات هائلة من الطاقة الكهربائية بشكل عكسي تجعله مستودعًا لا غنى عنه لتخزين الكهرباء وإطلاقها في بطاريات الليثيوم أيون.

بطارية ليثيوم أيون مقابل بطارية الجرافيت

يكمن الاختلاف الأهم الذي يفصل بطاريات الجرافيت عن بطاريات الليثيوم أيون في مادة الأنود. فعلى عكس بطاريات بطاريات الليثيوم أيون، تستخدم بعض التقنيات الجديدة السيليكون (بدلاً من الجرافيت فقط) كمادة أنود. وبين هاتين المادتين، يفوز الجرافيت بعمر الدورة، بينما يفوز السيليكون بكثافة الطاقة المحتملة. ومع ذلك، تكمن المشكلة في أن أنودات السيليكون تعطي انتفاخًا سيئًا أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تلف هيكلي قاتل في حزم البطاريات. ومع ذلك، لا يزال الجرافيت هو المادة الأكثر شيوعاً، حيث يتراوح بين الأداء والموثوقية.

عملية التحليل الكهربائي لأنود الجرافيت الجرافيت

أثناء عمليتي الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم-أيون يحدث تفاعل كهروكيميائي في أنود الجرافيت. على المستوى الخلوي في الأنود تعمل البطارية على التحليل الكهربائي، حيث تمر أيونات الليثيوم المشحونة إلى الداخل ويتم التقاطها في الجرافيت. ومع إطلاق الأيونات عند التفريغ، تتدفق هذه الأيونات مرة أخرى إلى المهبط، وتطلق الطاقة. كما أنها قابلة للانعكاس، مما يسمح لك بإعادة شحن البطارية مرات لا تحصى قبل أن يحدث ضرر خطير لأنود الجرافيت.

مقارنة بين أنود الجرافيت وأنود السيليكون

وقد جلبت السعة النظرية الأعلى لأنودات السيليكون (مقارنةً بأنودات الجرافيت النموذجية) بعض الاهتمام بهذه المادة. يعد استخدام السيليكون بدلاً من الجرافيت مفيداً لأنه يتمتع بسعة تخزين أيونات الليثيوم أعلى، وبالتالي يمكن أن يزيد من كثافة طاقة البطارية. ولكن السيليكون له عيب كبير: فهو يتضخم ويتقلص بشكل كبير أثناء شحن البطارية وتفريغها. وعندما يحدث ذلك فإن الأنود يتضخم، مما يؤدي عادةً إلى تشققه وفشله في نهاية المطاف. وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن يحافظ الجرافيت على هيكله على مدى عمر العديد من دورات الشحن والتفريغ، مما يجعله أكثر متانة وموثوقية للاستخدام على المدى الطويل. في حين أن الأنودات القائمة على السيليكون يمكن أن تكون المستقبل للبطاريات ذات السعة العالية، إلا أن معظم التطبيقات لا تزال تعتمد على الجرافيت القديم الجيد.

كاثود الجرافيت مقابل أنود الجرافيت

في بطارية الليثيوم أيون يتم تبديل أدوار الأنود والكاثود. أثناء الشحن، تعيش أيونات الليثيوم عند الأنود، بينما أثناء التفريغ يتم التخلي عنها عند الكاثود. ومن الناحية العملية، يكون الأنود عبارة عن جرافيت نظرًا لخصائصه الكيميائية المتعلقة بإقحام الليثيوم. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام مواد أخرى في القطب السالب - أكسيد الكوبالت الليثيوم أو فوسفات الحديد، على سبيل المثال - التي هي أفضل في السماح بدخول تلك الأيونات إلى الداخل والتقاطها مرة أخرى. ولهذا السبب، لكي نفهم وظيفة البطارية، يجب التفكير في الأنود والكاثودات حسب هويتها.

عملية تصنيع أنودات الجرافيت الجرافيت

الأول هو أن مادة الجرافيت الخام تحتاج إلى تنظيفها وتنظيف الشوائب مثل السيليكونأو الحديد أو الأكسجين المستخرج. الخطوة التالية هي خلط الجرافيت مع مواد رابطة لصنع عجينة. ثم يتم لف هذه العجينة على رقائق نحاسية، والتي تعمل كمجمع للتيار. وبعد ذلك يتم تجفيف هذه المادة وضغطها بطريقة تضمن أن يكون سمكها متساويًا في جميع الأنودات بعد طلاء طبقة التعبئة. يتم تسخين الأنودات إلى درجات حرارة عالية حتى تكتسب خصائصها الكهروكيميائية. يتم تقطيعها بالأشكال والأحجام المطلوبة، ويتم الانتهاء منها لإدراجها في البطاريات.

لماذا يُصنع الأنود من الجرافيت وليس الفولاذ؟

تتميز مادة الفولاذ بتوصيل منخفض للكهرباء، لذا لا يمكن إقحام الليثيوم في الفولاذ. ومن شأن ذلك أن يقلل من أداء البطارية بشكل كبير. من ناحية أخرى، يُعد الجرافيت موصل جيد جدًا ويمكنه تحمل حركة أيونات الليثيوم دون الكثير من التفكك. كما أن الجرافيت مرشح ممتاز لأنودات البطارية عند النظر في كل من الوزن والاستقرار الكيميائي/مقاومة التآكل، أكثر من مواد مثل الفولاذ.

تطبيقات أنودات الجرافيت الجرافيت

أنودات الجرافيت لها أغراض متعددة بخلاف بطاريات أيونات الليثيوم فقط. فهي تُستخدم في التفاعلات الكهروكيميائية على سبيل المثال التحليل الكهربائي للماء حيث تساعد في تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الجرافيت. تُستخدم أنودات الجرافيت أيضًا في أنواع أخرى من البطاريات (مثل بطارية أيونات الصوديوم) وتخزين الطاقة. ويعتبر أنود الجرافيت الاصطناعي مادة رئيسية تستخدم في هذا التحول إلى الطاقة المتجددة لأنه يسمح لنا بتخزين الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.