توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشیدی و بادی نیازمند روش‌های جدید ذخیره‌سازی انرژی است. ابرها می توانند خورشید را در روزها پنهان کنند و خورشید در شب هم کاملاً در دسترس نیست. باد می تواند حتی بی ثبات تر باشد. ذخیره‌سازی ما را از شکاف‌های تولید اجتناب‌ناپذیر عبور و افزایش موضعی مصرف برق را پوشش می‌دهد.
با وجود مزایای بسیار زیاد و کاربرد گسترده باتری های لیتیوم یونی، عمر کوتاه این باتری ها معضلی اساسی است. علاوه بر این، استخراج لیتیوم از زمین با اثرات زیست محیطی خاص خود، مرحله ای پیچیده است. امروزه ایالات متحده کمتر از 1 درصد از لیتیوم جهان را تولید می کند که آن را به یک گلوگاه بالقوه برای تولید تبدیل کرده است.
ابرخازن‌هایی که می‌توانند با سرعتی بسیار سریع‌تر و با فرکانس بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی شارژ/دشارژ شوند، اکنون برای افزایش ذخیره‌سازی باتری های فعلی برای ورودی و خروجی سریع انرژی استفاده می‌شوند. فناوری باتری های گرافن یا ابرخازن های مبتنی بر گرافن احتمالاً جایگزین خوبی برای باتری های لیتیومی در برخی کاربردها باشد.
برق لحظه ای و تامین انرژی طولانی مدت
مزیت بزرگ ابرخازن ها توان بالای آنها و نقطه ضعف آنها چگالی انرژی کم است. این ویژگی ها ممکن است متضاد به نظر برسند، اما تعریف هر دو اصطلاح را در نظر بگیرید:
ابرخازن‌ها معمولاً ظرفیت تخلیه با توان بالا و چگالی انرژی پایینی دارند. بنابراین، در حالی که یک ابرخازن می‌تواند یک انفجار عظیم انرژی برای یک لحظه تولید کند، نمی‌تواند این خروجی انرژی را تقریباً به اندازه یک باتری لیتیوم یونی حفظ کند. در کاربردهای امروزی اغلب از یک ابرخازن برای یکنواخت کردن ورودی ها یا هزینه های انبوه انرژی (به عنوان مثال، ترمز احیا کننده و شتاب سریع) استفاده می کنند، در حالی که نیازهای انرژی طولانی مدت توسط باتری ها برطرف می شود.
حالا چالش اصلی و راه حل آن چیست؟
آیا ذخیره کننده های گرافنی آینده این صنعت را در دست خواهند گرفت؟
ابرخازن‌ها معمولاً از لایه‌های آند و کاتد ساخته شده از فویل‌های فلزی که با کربن فعال پوشانده شده‌اند و توسط یک غشای نیمه تراوا حاوی محلول الکترولیت جدا شده‌اند، تشکیل می شوند. لایه‌های این ساندویچ کربن/غشاء ، نورد شده یا در یک محفظه خازن چیده می‌شوند و به آنها اجازه می‌دهد تا بارها را از طریق حرکت یون در الکترولیت ذخیره کنند.
در شکل زیر نمونه شماتیکی از ابرخازن های الکترود انباشته، نمایش داده شده است که در آن شماره 1 نشان دهنده الکترود مثبت، شماره 2، الکترود منفی و شماره 3، بیانگر جداکننده است:
کربن فعال را در این سیستم میتوان بسیار نازک ساخت (چیزی حدود 0.1 میلی متر ضخامت)، اما سطح زیادی دارد: چندین سانتی متر مربع برای هر ذره 0.1 میلی متری! گرافن، با این حال، در ورقه‌های مولکول‌های دوبعدی با ضخامت ۱ اتم، با سطح ویژه‌ای مشابه کربن فعال پدید می‌آید. می توان آن را در یک لایه بسیار نازک برای آرایش هادی فوق متراکم، پخش کرد. گرافن یک رسانای عالی است، به این معنی که حداقل اتلاف گرما و به طور فرضی انتقال قدرت بهتری نسبت به ابرخازن‌های کربن فعال را دارد.
مشکل تولید خازن های گرافنی در مقیاس است. با این حال، با توجه به وعده گرافن، محققان در حال کار بر روی این نوع پیاده سازی بصورت کاملاً محرمانه هستند. در حالی که گرافن ممکن است باتری‌های لیتیوم یونی را به طور کامل حذف نکند، بهبود ابرخازن‌ها با استفاده از گرافن می‌تواند به این دستگاه ذخیره‌سازی انرژی کمک کند تا انرژی را متراکم‌تر و کارآمدتر ذخیره کند.
سایر گزینه های ذخیره سازی پیشرفته
گرافن تنها گزینه ذخیره سازی پیشرفته در حال توسعه نیست. در زیر به دیگر امکانات مبتنی بر کربن برای ذخیره انرژی اشاره شده است:
دستکاری توان
در حالی که توانایی ارائه مقدار زیادی انرژی، چیز خوبی است، برای استفاده صحیح این انرژی باید کنترل شود. در این نقش می توان از ترانزیستورهای SiC استفاده کرد. همراه با این، فن‌آوری‌های اندازه‌گیری فعلی باید برای اطمینان از کاربرد مناسب توان و انرژی طراحی شوند.
جالب اینجاست که به نظر می رسد تولید پیشرفته کربن در اشکال مختلف آن به همراه سیلیکون (و ترکیبی از این دو) در آینده موجی از تقاضای این محصولات برای مدیریت انرژی را همراه داشته باشد. امروزه چالش اصلی، توسعه و تعمیم ایده‌های تئوری و قابل استفاده در مقیاس های کوچک، به محصولات روزمره‌ای که موجب بهبود زندگی است، می باشد. هنگامی که این تکنیک‌ها کامل و پیاده‌سازی شدند، می‌توانیم آینده‌ای با انرژی کارآمدتر را با دستگاه‌های توانمندتر پیش‌بینی کنیم.
