کاربرد گرافن در باتری های سرب اسیدی - ایران گرافن

باتری های سرب اسیدی رایج ترین نوع باتری مورد استفاده در سیستم های فتوولتائیک هستند. اگرچه باتری‌های سرب اسیدی دارای چگالی انرژی پایین، راندمان متوسط و نیازهای تعمیر و نگهداری بالا هستند، اما در مقایسه با سایر انواع باتری‌ها، عمر طولانی و هزینه کمی دارند. یکی از مزایای منحصر به فرد باتری های سرب اسیدی این است که آنها متداول ترین شکل باتری مورد استفاده برای اکثر کاربردهای باتری قابل شارژ (مثلاً در راه اندازی موتورهای اتومبیل) هستند و بنابراین دارای یک پایه فناوری تثبیت شده و کامل هستند.

باتری های سرب اسیدی از یک الکترود منفی ساخته شده از سرب اسفنجی یا متخلخل تشکیل شده است. سرب برای تسهیل تشکیل و انحلال سرب متخلخل است. الکترود مثبت از اکسید سرب تشکیل شده است. هر دو الکترود در محلول الکترولیتی اسید سولفوریک و آب غوطه ور می شوند. در صورتی که الکترودها از طریق حرکت فیزیکی باتری یا از طریق تغییر در ضخامت الکترودها با یکدیگر تماس پیدا کنند، یک غشای عایق الکتریکی، اما از نظر شیمیایی نفوذپذیر، دو الکترود را از هم جدا می‌کند. این غشاء همچنین از اتصال کوتاه الکتریکی از طریق الکترولیت جلوگیری می کند.

تخلیه باتری های سرب اسیدی باعث تشکیل کریستال های سولفات سرب در هر دو الکترود منفی و مثبت و همچنین آزاد شدن الکترون به دلیل تغییر در بار ظرفیت سرب می شود. در تشکیل این سولفات سرب، از سولفات الکترولیت اسید سولفوریک اطراف باتری استفاده می شود. در نتیجه الکترولیت کمتر متمرکز می شود. تخلیه کامل منجر به پوشاندن هر دو الکترود با سولفات سرب می شود و خاصیت اسیدی محلول الکترولیت از بین می رود و آب جای اسید را می گیرد. در دشارژ کامل، دو الکترود یک ماده هستند و هیچ پتانسیل شیمیایی یا ولتاژی بین دو الکترود وجود ندارد. اما در عمل، تخلیه در ولتاژ قطع، خیلی قبل از این نقطه متوقف می شود. بنابراین باتری نباید کمتر از این ولتاژ تخلیه شود.

گرافن در الکترود منفی باتری های سرب اسیدی

با وجود اینکه راندمان شارژ صفحات منفی بیشتر از صفحات مثبت است، اما زمانی که سولفات سرب (PbSO4)  در صفحات منفی در حین کار جمع می شود که به آن سولفاته می گویند، PbSO4 به راحتی نمی تواند به سرب تبدیل شود، به خصوص در باتری های VRLA (Valve Regulated Lead Acid). بنابراین، PbSO4 می‌تواند به راحتی لایه‌های غیرفعال را بر روی سطوح الکترودهای سرب اسفنجی در حالت شارژ تشکیل دهد که مانع از انتشار الکترولیت اسید سولفوریک می‌شود و استفاده از جرم فعال منفی (NAM)  را کاهش می‌دهد و عمر چرخه باتری‌های VRLA را کوتاه می‌کند.

عمر چرخه محدود باتری های VRLA عمدتاً به واکنش های سولفاته برگشت ناپذیر نسبت داده می شود. سولفاته شدن در موارد نرخ شارژ-تخلیه بالا یا عملیات با عمق تخلیه زیاد مشخص می شود. برای افزایش عمر چرخه باتری های VRLA، جلوگیری یا کاهش سولفاته شدن NAM در طول چرخه بسیار مهم است. بسیاری از محققان گزارش کرده اند که ترکیب مواد افزودنی کاربردی، مانند نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNTs)، پلی آسپارتات سدیم (PASP) ، سورفکتانت ها، مواد مبتنی بر کربن و لیگنوسولفونات اصلاح شده. (LS) ، به NAM یک رویکرد موثر برای دستیابی به عملکرد عالی باتری است.

استفاده از گرافن در الکترود منفی باتری های سرب اسیدی به عنوان وسیله ای برای بهبود عملکرد آن ها مورد مطالعه قرار گرفته است. گرافن می تواند رسانایی الکترود منفی را افزایش داده و منجر به سرعت شارژ و دشارژ سریع تر شود. همچنین می تواند مساحت سطح الکترود را افزایش دهد و به سایت های فعال تر برای واکنش های الکتروشیمیایی اجازه دهد.

افزودن گرافن به الکترود منفی باتری های سرب اسیدی از طریق روش های مختلفی امکان پذیر است. یکی از رویکردهای رایج مخلوط کردن گرافن با ماده فعال الکترود منفی است که از اکسید سرب (PbO) و سولفات سرب (PbSO₄) تشکیل شده است.

یک مطالعه که در سال 2015 تاثیر ترکیب گرافن اکسید (GO) در الکترود منفی باتری های سرب اسیدی را بررسی کرد. محققان یک سوسپانسیون گرافن اکسید را با پراکنده کردن گرافن اکساید در آب دیونیزه تهیه کردند. آن ها دریافتند که افزودن گرافن اکسید باعث بهبود عملکرد الکتروشیمیایی باتری از جمله افزایش ظرفیت و کاهش مقاومت انتقال شارژ می شود.

مطالعه دیگری در سال 2017 انجام شده که بر ترکیب گرافن اکسید کاهش یافته (rGO) در الکترود نفنی متمرکز بود. محققان گرافن اکسید کاهش یافته را با ماده فعال مخلوط کردند و عملکرد الکتروشیمیایی بهبود یافته، از جمله افزایش بازده شارژ تخلیه و افزایش عمر چرخه.را مشاهده کردند

یکی از نمونه های اخیر مطالعه ای است که در سال 2019 منتشر شد که ساخت موفقیت آمیز باتری اسید سرب با الکترود منفی اکسید گرافن (GO) را گزارش کرد. محققان گرافن اکسید را به الکترود منفی وارد کردند تا رسانایی الکترونیکی آن را افزایش دهند و از تشکیل سولفات سرب که یکی از دلایل اصلی کاهش ظرفیت باتری های اسید سرب است، جلوگیری کنند. نتایج نشان دهنده پایداری چرخه و افزایش ظرفیت نگهداری در مقایسه با باتری های اسید سرب سنتی است.

اثرات افزودن گرافن به الکترود منفی باتری های سرب اسیدی

1. رسانایی بهبود یافته: گرافن رسانایی بالایی دارد که رسانایی الکترود منفی را افزایش می دهد. این منجر به افزایش سرعت شارژ و دشارژ سریع تر می شود.
2. افزایش سطح: گرافن دارای سطح زیادی است که باعث افزایش مکان های فعال موجود برای واکنش های الکتروشیمیایی می شود. این امکان استفاده کارآمدتر از مواد الکترود را فراهم می کند و می تواند ظرفیت کلی باتری را بهبود بخشد.
3. افزایش بهره وری انرژی: هدایت بهبود یافته و افزایش مساحت سطح ارائه شده توسط گرافن می تواند منجر به بهره وری انرژی بالاتر شود. این بدان معنی است که نسبت بیشتری از انرژی ذخیره شده در باتری به طور موثر در طول چرخه شارژ و دشارژ استفاده می شود.
4. عمر چرخه طولانی تر: ترکیب گرافن در الکترود منفی می تواند دوام و طول عمر باتری را بهبود بخشد. این می تواند به کاهش تخریب الکترود کمک کند و تعداد چرخه های شارژ دشارژ را که باتری می تواند قبل از کاهش قابل توجه ظرفیت تجربه کند، افزایش دهد.

توجه به این نکته مهم است که تولید تجاری و اجرای گسترده باتری های سرب اسیدی با الکترود های منفی گرافن ممکن است به دلیل عواملی مانند هزینه بالای گرافن ، مقیاس پذیری تولید آن محدود باشد. با این وجود گروه ایران گرافن با تولید گرافن در مقیاس صنعتی، قیمت مناسب و کیفیت بالا آماده ارائه این محصول به صنعت گران گرامی می باشد تا بهبود کیفیت این نوع باتری هارا در داخل کشور تسهیل نماید.

قابل توجه است که با توجه به توضیحات ترکیب گرافن در الکترود منفی باتری های سرب اسیدی می تواند منجر به بهبود بازده انرژی، عمر چرخه طولانی تر و افزایش ظرفیت شود؛ لذا، در این زمینه با هدف بررسی بیشتر پتانسیل الکترودهای مبتنی بر گرافن و توسعه کاربردهای عملی برای بهبود فناوری باتری های سرب اسیدی مطالعات بیشتری روز به روز انجام می شود.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X20320156

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775317300563