محققان در آمريكا افزاره ذخيره انرژي جديدي طراحي كرده‌اند كه بر اساس انتقال بسيار سريع مقاديري بزرگي از يون‌هاي ليتيوم بين الكترودها با سطوح بزرگ گرافن، است. اين افزاره ذخيره انرژي مي‌تواند براي وسايل نقليه الكتريكي بي‌نهايت مفيد باشد و زمان شارژ آنها را از ساعت‌ها به كمتر از يك دقيقه كاهش دهد. ديگر كاربردهاي بالقوه اين افزاره شامل ذخيره انرژي تجديدپذير (براي مثال ذخيره كردن انرژي باد و خورشيد) و شبكه‌هاي هوشمند مي‌باشد.

اين محققان اين افزاره جديدي را "پيل‌هاي تعويض – يون ليتيوم تواناشده با سطح گرافن" يا بطور ساده‌تر "پيل‌هاي در ميان واقع‌شده – سطح (SMCs)" مي‌نامند. اين افزاره‌ها با وجود اينكه هنوز از مواد و پيكربندي بهينه‌نشده استفاده مي‌كنند، عملكردي بهتر از باتري‌هاي يون ليتيوم و ابرخازن‌ها دارند. اين افزاره‌هاي جديد مي‌توانند چگالي تواني برابر با 100 كيلووات بر كيلوگرم‌پيل داشته باشند كه 100 برابر بزرگ‌تر از چگالي توان باتري‌هاي يون ليتيوم تجاري و 10 برابر چگالي توان ابرخازن‌ها است. هرچه چگالي توان بيشتر باشد، دبي انتقال انرژي (و درنتيجه زمان شارژ) سريع‌تر است.
 
سطوح ويژه بزرگ الكترودهاي اين پيل‌ها قادرند به سرعت مقادير بزرگي از يون‌ها را بين الكترودها انتقال دهند و اين منجر به زمان شارژ سريع مي‌شود.
بعلاوه، اين پيل‌هاي جديد مي‌توانند چگالي انرژي برابر با 160 وات‌ساعت بر كيلوگرم‌پيل داشته باشند كه با چگالي انرژي باتري‌هاي يون ليتيوم قابل مقايسه است و 30 برابر چگالي انرژي ابرخازن‌هاي مرسوم است. هرچه چگالي انرژي بيشتر باشد، اين افزاره مي‌تواند انرژي بيشتري براي حجم يكسان ذخيره كند و در نتيجه وسايل نقليه استفاده‌كننده از آن، مدت زمان بيشتري رانده مي‌شوند. 

نكته كليدي براي عملكرد خوب اين پيل‌ها، آند و كاتدي است كه سطوح گرافني خيلي بزرگي را شامل مي‌شوند. اين محققان در هنگام ساخت اين پيل‌ها، فلز ليتيوم (به شكل ذرات يا ورقه) را در آند قرار دادند. در مدت اولين چرخه تخليه، اين ليتيوم يونيزه شده و مقادير بسيار بزرگ‌تري از يون‌هاي ليتيوم در مقايسه با باتري‌هاي يون ليتيوم، توليد مي‌شود. 

هنگامي كه اين باتري استفاده مي‌شود، يون‌هاي مذكور در سرتاسر يك الكتروليت مايع تا كاتد مهاجرت كرده، وارد خلل و فرج شده و به سطح بزرگ گرافن داخل كاتد مي‌رسند. در مدت شارژ مجدد، جريان عظيمي از يون‌هاي ليتيوم سريعا از كاتد به آند مهاجرت مي‌كنند. سطوح بزرگ اين الكترودها انتقال سريع مقادير بزرگي از يون‌ها بين الكترودها را ممكن كرده و منجر به چگالي‌هاي انرژي و توان بالا مي‌شوند. 

اين محققان جزئيات نتايج كار تحقيقاتي خود را در مجله‌ي Nano Letters منتشر كرده‌اند.

منبع: ستاد توسعه فناوري نانو