כחומר אלקטרודה לתאים סולאריים, גרפיט נמצא בשימוש נרחב בייצור אלקטרודות לתאים סולאריים בשל מוליכותו החשמלית והתרמית הטובה ויציבותו הכימית הטובה.
כיום קיימים שני סוגים עיקריים של מוצרי גרפיט נפוצים בשוק: האחד הוא גרפיט מלאכותי (הידוע גם בשם גרפיט טבעי); השני הוא גרפיט בטוהר גבוה (המכונה גם גרפיט מוליך למחצה).
גרפיט מלאכותי מורכב בעיקר מאטומי פחמן והוא חומר אנאורגני לא מתכתי שניתן להשתמש בו לייצור מוצרים תעשייתיים אלקטרוניים כגון משחות מוליכות, חומרים מוליכים ופחמן שחור. השימוש העיקרי בו הוא כסוכן מוליך בתעשיית האלקטרוניקה לשיפור היעילות של ניצול האנרגיה החשמלית.
עם זאת, בשל מוליכות ירודה, מוליכות תרמית ירודה, מקדם התפשטות תרמית גבוה, יציבות תרמית ירודה, חוזק מכני נמוך וסיבות אחרות של גרפיט מלאכותי טבעי ומוליך למחצה, לא ניתן להשתמש בו ישירות באלקטרודות של תאים סולאריים.
לכן, בתהליך הייצור של תאים סולאריים, צריך לטהר גרפיט מלאכותי טבעי ומוליך למחצה כדי לשפר את המוליכות התרמית והחשמלית שלו. במקביל, יש צורך לשפר את מקדם ההתפשטות התרמית ואת החוזק המכני שלו.
בנוסף, גרפיט מלאכותי, כאחד מחומרי הגלם החשובים בתעשייה הפוטו-וולטאית, משמש בעיקר בייצור חומרי אנודה לסוללות ליתיום-יון, חומרים מוליכים לתאים סולאריים, משחות אלקטרודות ופחמן שחור.
עם התפתחות התעשייה הפוטו-וולטאית לרמות מתח גבוהות יותר, מוצגות דרישות טובות יותר לחומרי אלקטרודה: מצד אחד, יש צורך לשפר את המוליכות תוך הקפדה על מתח גבוה; מצד שני, נדרשים יציבות תרמית טובה וחוזק מכני כדי להתאים ליישומים בתנאים קשים.
לכן, לגרפיט מלאכותי טבעי ומוליך למחצה יש יתרונות גדולים והוא הפך לאחד מחומרי הגלם ההכרחיים בתעשייה הפוטו-וולטאית, מה שגורם גם לגרפן מלאכותי טבעי ומוליך למחצה כחומר האלקטרודה הנפוץ ביותר בתחום הפוטו-וולטאי לקבל יותר יותר תשומת לב מהשוק.
1. הכן חומרים חדשים מבוססי פחמן אלקטרודות
גרפיט מלאכותי טבעי ומוליך למחצה כחומרי אנודה לסוללות ליתיום-יון, בשילוב עם חומרים פונקציונליים אחרים כגון פחמן שחור ופולימרים מוליכים, יכולים לשמש להכנת חומרי אנודה לסוללות ליתיום-יון, שיכולים לשפר ביעילות את צפיפות ההספק ומחזוריות חיי סוללות.
שקיעת ננו-צינורות פחמן על ידי גרפיט מלאכותי טבעי ומוליך למחצה להכנת ננו-צינוריות/גרפיט מרוכבים ושימוש בהם כאנודות של תאים סולאריים יכולה לשפר ביעילות את צפיפות ההספק, יעילות הטעינה-פריקה, ביצועי הקצב וחיי המחזור שלהם.
חומרים מרוכבים של ננו-צינורות/גרפן מפחמן הוכנו בשיטה פשוטה תוך שימוש בגרפיט מלאכותי וננו-צינוריות פחמן כחומרי גלם.
תערובת של פחמן שחור וגרפן מורכבת כתוסף ומתווספת לאלקטרוליט הפולימרי ליצירת חומר אנודה של סוללת ליתיום-יון.
2. אנודת סוללת ליתיום-יון חדשה
עם הפיתוח של סוללות ליתיום-יון בצפיפות אנרגיה גבוהה, הועלו דרישות גבוהות יותר לחומרי האנודה, במיוחד לקיבולת גדולה, מחזור ארוך, עלות נמוכה וצריכת ליתיום נמוכה.
גרפן הפך לאחד ממוקדי המחקר של חומרי האנודה של סוללת ליתיום-יון בשל הקיבולת הספציפית הגבוהה שלו.
בנוסף, חומרי פחמן המיוצגים על ידי גרפיט הפכו בהדרגה למוקד מחקר בשנים האחרונות.
3. סוללת ליתיום-יון חדשה על בסיס גרפיט
גרפן נמצא בשימוש נרחב בתחום סוללות הליתיום-יון בגלל ביצועיו האלקטרוקטליטיים המצוינים, ומהווה חומר אידיאלי להכנת אנודות סוללות ליתיום-יון בעלות ביצועים גבוהים, אך יישומו בסוללות ליתיום-יון מושפע קשות עקב מוליכות ירודה שלו והתרחבות נפח גדולה לאחר ספיחה של יוני ליתיום על פני השטח.
כדי לפתור בעיה זו, מדענים מהאוניברסיטה הלאומית של סיאול בקוריאה השתמשו בתצהיר כימי (CVD) כדי לגדל שכבות גרפן על פני השטח של גרפיט, ושכבות גרפן מרוכבות עם יריעות גרפיט כדי להשיג חומרים מרוכבים.
התוצאות מראות כי: (1) המבנה המרוכב לא רק פותר את בעיית הצבירה הקלה של יריעות גרפן, אלא גם משפר את התכונות המכניות של יריעות גרפיט; (2) פני השטח של שכבת הגרפן בחומר המרוכב מכילים מספר רב של קבוצות אורגניות, שיכולות לשפר את התגובתיות של גרפן ומלח ליתיום; (3) מבנה הרשת התלת מימדי הנוצר בחומרים המרוכבים יכול לדכא ביעילות את התנגדות המגע בין חלקיקים בסוללה ולשפר את קינטיקה של התגובה האלקטרוכימית.
4. מחקר וניתוח של טכנולוגיית ההכנה ותהליכי המפתח של הדבק-אנודה מוליכים
משחת האלקטרודות עשויה למשחה של יריעות אלקטרודות ומורכבת עם תוספים מוליכים ליצירת חומר סוללה עם משחה מוליכה כקולט זרם מוליך, המהווה חלק חשוב מתפקוד הסוללה, וביצועיה משפיעים ישירות על ביצועי הסוללה.
טכנולוגיית ההכנה של הדבק-אנודה מוליכים כוללת טכנולוגיית טיהור גרפיט, טכנולוגיית הכנת אלקטרודות ליתיום-יון וטכנולוגיית הכנת אלקטרודות גרפיט.
התרחיץ המוליך מורכב בעיקר מחומר מוליך או מחומר אנודה, שניתן להוסיף לאלקטרוליט כחומר סיכה במהלך עיבוד האלקטרודה כדי להגדיל את שטח המגע בין האלקטרודה לאלקטרוליט, לקצר את נתיב דיפוזיית היונים ולהגביר את קצב התגובה ו עומק תגובה להפחתת עלויות.