S-2014 : پیش‌بینی آینده باتری‌ ها از دید دانشمندان

S-2014 : پیش‌بینی آینده باتری‌ها از دید دانشمندان

Prediction of the future of batteries from the eyes of scientists

یکی از چالش‌های حل نشده ما در جامعه مدرن، ذخیره انرژی الکتریکی به شیوه اقتصادی است. در این راستا اصطلاحی وجود دارد که می‌گوید: “هر1 درصد بهبود در عملکرد باتری، کیفیت برنامه‌های باتری را تا 10 درصد افزایش می‌دهد”.

دستورالعمل ساده دیگری نیز نشان می‌دهد: “هزینه انرژی هنگام ذخیره در باتری برای استفاده مجدد دو برابر می‌شود.”

ما در این مقاله قصد داریم شما را با باتری‌های جدید و آنچه در حال حاضر به عنوان باتری در آزمایشگاه‌ها نگهداری می‌شود، آشنا کرده و با پیش‌بینی آینده باتری‌ها از دید دانشمندان همراه کنیم.

قبل از وارد شدن به این بحث پیشنهاد می‌کنیم مقاله باتری چیست را برای اطلاعات بیشتر در مورد باتری‌های اولیه (غیر قابل شارژ) مطالعه فرمایید.

دانشمندان به دنبال چه نوع باتری‌هایی هستند؟!

امروزه رایج‌ترین سیستم‌های باتری موجود، لیتیوم یون و لید اسید (سرب اسید) هستند. اما هر دو سیستم دارای چالش‌ها و محدودیت‌هایی هستند که به دنبال راه‌حل بهتر می‌باشند. صنعت باتری مملو از وعده‌های شکست خورده است؛ اما پیشرفت‌هایی نیز در این زمینه به چشم می‌خورد.

بررسی طول عمر در آینده باتری‌ ها

از نظر طول عمر باتری، پیشرفت‌هایی در زمینه باتری لیتیوم یونی با استفاده از مواد کاتدی تک کریستالی انجام شده است.

همچنین دستیابی به طول عمر بیشتر و نگه داشتن ظرفیت بیشتر، توسط صنعت خودرو‌های برقی هدایت می‌شود که آن‌ها نیز به دنبال طول عمر باتری 15 ساله هستند.

با این حال، تا زمانی که در بازار مصرف کننده تلفن‌های همراه، جهت حداکثرسازی ولتاژ مجاز برای شارژ، از انواع باتری لیتیوم یون متداول استفاده می‌شود، طول عمرباتری کوتاه خواهد بود.

از نظر طول عمر انرژی، انرژی آند‌نانوسیم سیلیکونی که به میزان وات‌ساعت در کیلوگرم محاسبه می‌شود (Wh/kg)، می‌تواند انرژی‌ای دو برابر سلول‌های تجاری باتری لیتیوم یونی به دست آورد. این مهم در صورتی است که ساختار‌های مبتنی بر اِس‌آی نانوسیم دارای چرخه عمر محدودی می‌باشد.

ارتباط بین باتری‌ها و سرمایه گذاران

باتری‌های آزمایشی بیشتر در آزمایشگاه‌های محافظت شده نگهداری می‌شوند و با گزارشات امیدوار‌کننده اما یک‌طرفه، اغلب برای جلب سرمایه‌گذاران، با جهان خارج ارتباط برقرار می‌کنند.

برخی از طرح‌ها نتایج غیر‌واقعی را با تاریخ‌های پیش‌بینی شده انتشار می‌دهند تا بتوانند از فرصت پیش آمده استفاده کرده و با گذشت زمان خود را ارتقا دهند. البته بیشتر طرح‌ها از عرصه “باتری‌بودن” خارج شده و در آزمایشگاه بدون این که کسی از آن‌ها خبر داشته باشد، به مرور کنار گذاشته می‌شوند.

تعداد کمی از محصولات دیگر هستند که نیاز‌های سختگیرانه‌ای مشابه باتری‌ها دارند، و پیچیدگی به وجود آمده، سرمایه گذاران ریسک‌پذیر را سردرگم کرده است؛ مثلا کسانی هستند که در یک دوران بخصوص خوب عمل کرده و انتظار دارند سرمایه گذاری مشابه آنها فقط در 3 سال به سودآوری برسد، درصورتیکه به طور معمول توسعه باتری معمولاً 10سال طول می‌کشد.

اکثر سرمایه گذاران ریسک‌پذیر تحمل صبر کردن ندارند و ممکن است سرمایه خود را از دور خارج کنند، که اصطلاحا به این عمل ترک توسعه دهنده در آبهای عمیق گفته می‌شود.

در ادامه به برخی از موفق‌ترین باتری‌های آزمایشی به عنوان باتری ثانویه (قابل شارژ) اشاره شده است.

بررسی وضعیت باتری لیتیوم

ساختار آنُد باتری لیتیوم

محققان یک ساختار آنُد برای باتری‌های لیتیوم یون ایجاد کرده‌اند که بر اساس مواد نانوکامپوزیت سیلیکون-کربن است.

از نظر تئوری، یک آند سیلیکونی می‌تواند 10 برابر انرژی یک آند گرافیتی را ذخیره کند؛ اما گسترش و انقباض در حین شارژ و تخلیه (دشارژ) آن، باعث ناپایداری سیستم می‌شود.

محققان دریافته‌اند که با افزودن گرافیت به آند، ظرفیت نظری پنج برابر یون معمولی لیتیوم با عملکرد پایدار به دست می‌آید. با این حال، عمر چرخه به دلیل مشکلات ساختاریِ هنگام وارد کردن و استخراج لیتیوم یون در حجم زیاد محدود می‌شود.

باتری لیتیوم-هوا (Li_air)

لیتیوم هوا عنصری هیجان‌انگیز را ارائه می‌دهد زیرا این باتری با وعده ذخیره انرژی بسیار، بیشتر از آنچه در فناوری‌های لیتیوم یون فعلی ممکن است ذخیره شود، ارائه شده است. دانشمندان این ایده را از هوایِ روی و پیل سوختی برای ایجاد باتری‌های مبتنی بر هوا ایده گرفته‌اند. مثل باتری کاتد که از هوای کاتالیزوری برای تامین اکسیژن، الکترولیت و آند لیتیوم استفاده می‌کند.

انرژی مخصوص نظری لیتیوم هوا  Kwh/kg 13 است. همچنین آلومینیوم هوا نیز در حال آزمایش است و کمی کمتر از  Kwh/kg 8 می‌باشد.

نقاط قوت لیتیوم-هوا

۱ -لیتیوم-هوا در سال 1970 پیشنهاد شد و در اواخر سال 2000 به دلیل پیشرفت در علم مواد و تلاش برای یافتن باتری بهتر برای پیشرفت در زمینه برقی، مورد توجه مجدد قرار گرفت.

2- بسته به مواد مورد استفاده، لیتیوم هوا ولتاژ‌هایی بین 1.7 تا 3.2 ولت سلول تولید می‌کند.IBM ، MIT، دانشگاه کالیفرنیا و سایر مراکز تحقیقاتی در حال توسعه این فناوری هستند.

3- اگر واقعاً بتوان این میزان از انرژی‌ها را تحویل داد، فلز هوا با بنزین تقریباً 13 Kwh/kg، برابر خواهد بود. اما حتی اگر محصول نهایی تنها یک چهارم چگالی انرژی مورد‌نظر باشد، موتور الکتریکی با بازدهی بهتر از 90 درصد، ظرفیت کمتری را در برابر ICE با بازده حرارتی تنها 25 تا 30 درصد تامین می‌کند.

نقاط ضعف لیتیوم-هوا

۱ – لیتیوم-هوا مانند سایر باتری‌های مبتنی بر هوا، قدرت ویژه آن‌ها به ویژه در دماهای سرد، ممکن است کم باشد. همچنین گفته می‌شود که مقوله پاکی هوا یک چالش برای آن است زیرا هوایی که ما در شهرهایمان تنفس می‌کنیم به اندازه کافی برای لیتیوم هوا تمیز نیست و باید فیلتر شود.

۲ –  ممکن است انرژی باتری با کمپرسور، پمپ و فیلتر‌هایی شبیه سلول سوختی به پایان برسد و 30 درصد از انرژی تولید شده خود را جهت پشتیبانی کمکی برای دوام بیشتر مصرف کند.

۳ – مشکل دیگر سندرم مرگ ناگهانی است. لیتیوم و اکسیژن، لایه‌های لیتیوم پراکسید را تشکیل می‌دهند که مانعی در مقابل الکترون‌ها ایجاد کرده و از حرکت آن‌ها جلوگیری می‌کند و منجر به کاهش ناگهانی ظرفیت ذخیره‌سازی باتری می‌شود. دانشمندان در حال آزمایش مواد افزودنی برای جلوگیری از به وجود آمدن این رخداد هستند.

۴ – در راستای بهبود آینده باتری‌ها، چرخه زندگی الکترون‌ها نیز باید بهبود یابد. آزمایشات درون آزمایشگاهی در حال حاضر تنها می‌تواند 50 چرخه را تولید کند.

لیتیوم-متال (Li-metal)

فلز لیتیوم به دلیل داشتن انرژی بالا و قابلیت بارگیری خوب به عنوان باتری قابل شارژ در آینده شناخته شده است.

نقاط قوت لیتیوم-متال

۱ – پس از چندین تلاش ناموفق برای تجاری‌سازی باتری‌های لیتیوم فلزی قابل شارژ، تحقیقات و تولید محدود این باتری همچنان ادامه دارد.

۲ – در سال 2010، یک لیتیوم فلز آزمایشی با ظرفیت 300Wh/kg در یک وسیله نقلیه الکتریکی آزمایشی نصب شد. با سرعت 300Wh/kg، لیتیوم-فلز دارای یکی از بالاترین انرژی مخصوص به باتری‌های قابل شارژ مبتنی بر لیتیوم است.

۳ – کمپانیDBM Energy، تولید‌کننده آلمانی این باتری ادعا می‌کند که 2500 سیکل، زمان شارژ کوتاه و قیمت رقابتی برای تولید انبوه در آینده باتری لیتیومی متال به وجود می‌آورد.

۴ – برای تولید رسوبات بدون دندریت بر روی باتری‌های لیتیوم-فلز، آزمایش‌هایی با افزودن نانوالماس به عنوان افزودنی الکترولیت انجام می‌شود. بدین‌نحو که لیتیوم ترجیح می‌دهد بر روی سطح الماس جذب شود، که باعث رسوب یکنواخت و افزایش عملکرد چرخش و حرکت می‌شود.

فلز لیتیوم

نقاط ضعف لیتیوم-فلز

۱ –  آزمایشات مربوط به چرخش و حرکت پایدار این باتری برای 200 ساعت نتیجه بخش بود، اما این تضمینی کافی برای مصرف‌کننده انرژی مثل تلفن‌های همراه و لپ تاپ‌ها نیست.

۲ –  در آینده باتری‌ لیتیوم فلزی ممکن است به موارد احتیاطی دیگری از جمله الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال، مواد الکترودهای ایمن‌تر و جداکننده‌های قوی‌تر نیاز داشته باشند.

 ۳- رسوب لیتیومِ کنترل نشده باعث رشد دندریت می‌شود که با نفوذ به جدا کننده و ایجاد یک اتصال کوتاه الکتریکی، خطرات ایمنی را به همراه دارد.

نمونه‌های استفاده شده از لیتیوم-متال

یک آئودی A2 با باتری‌های تک شارژ، بیش از 450 کیلومتر (284 مایل) را از مونیخ به برلین طی کرد. شایعه‌ای وجود دارد مبنی بر اینکه این خودرو در حین آزمایش آزمایشگاهی بر اثر آتش سوزی از بین رفت.

پس از این اتفاق، باتری‌های لیتیوم-فلز آزمایشات تأییدیه سختی را پشت سر گذاشتند. ایمنی طولانی مدت به عنوان یک مسئله باقی می‌‎ماند زیرا رشته‌های فلزی به وجود آمده ممکن است باعث کوتاه شدن اتصالات برقی شود.

کمپانی NCA در پروژه تسلا S85 از باتری‌هایی با انرژی  Wh/kg250، در BMW i3 از انرژی  Wh/kg 120 و ساختار شیمیایی مشابه درNissan Leaf، از انرژی Wh/kg80 استفاده می‌کند.

باتری‌های BMW i3 و Leaf برای دوام بالا ساخته شده‌اند در حالیکه تسلا با بزرگنمایی بیش از حد توانست به این امر دست یابد.

سالید-استیت لیتیوم

فناوری باتری با حالت جامد، گرافیتی را با لیتیوم خالص و همچنین الکترولیت مایع آغشته به جدا کننده متخلخل را با پلیمر جامد یا جداکننده سرامیک جایگزین می کند. این عمل شبیه به لیتیوم پلیمر در سال 1970 است که به دلایل ایمنی و عملکردی متوقف شد.

نقاط قوت سالید-استیت لیتیوم

۱ – باتری‌های حالت جامد وعده ذخیره دو برابر انرژی در مقایسه با لیتیوم یون معمولی را می‌دهند، اما قابلیت بارگیری آن ممکن است کم باشد، بنابراین آن‌ها در تولید موتورهای برقی و برنامه‌هایی که نیاز به جریان زیاد دارند، کمتر استفاده می‌شود.

۲ –  برنامه‌های کاربردی هدفمند در پی تنظیم سطح بار برای منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین خودروهای برقی با پیش پرداخت زمان شارژ کوتاه (تا حدی که توان باتری اجازه می‌دهد) هستند.

۳ –  آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، از جمله Bosch، پیش‌بینی می‌کنند که باتری حالت جامد ممکن است تا سال 2020 به صورت تجاری در دسترس قرار گرفته و در اتومبیل‌ها در سال 2025 اجرا شود.

۴ –  دولت‌ها به شرکت‌هایی که در مورد باتری‌های حالت جامد تحقیق می‌کنند، با حمایت‌های ویژه خود پاداش می‌دهند.

۵ –  گزارشات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که این باتری به دلیل نداشتن الکترولیت قابل اشتعال دارای انرژی بالا و ایمنی بالایی است، اما کارشناسان باتری هنوز در مورد ماندگاری آن برای جایگزین کردن لیتیوم یون قانع نشده‌اند.

نقاط ضعف سالید-استیت لیتیوم

۱ – لیتیوم یون فعلی از یک آند گرافیتی استفاده می‌کند و این عمل باعث کاهش انرژی ویژه‌ آن می‌شود.

 ۲- باتری حالت جامد شباهت زیادی با لیتیوم فلز دارد و دانشمندان در تلاش هستند تا بر مشکل تشکیل دندریت حتی با جداکننده‌های پلیمری خشک و سرامیکی برتری یابند. چالش های ‌دیگری مثل هدایت ضعیف در دماهای سرد، مشکل در تشخیص مشکلات درون سلول و تعداد کم چرخه وجود دارد.

۳ – نمونه‌های اولیه حالت جامد تنها به 100 چرخه می‌رسند.

۴ – یک متخصص مشهور باتری می‌گوید: “من درک نمی‌کنم که یک باتری لیتیوم حالت جامد در رقابت با لیتیوم یون، با استفاده از الکترولیت مایع از نظر هزینه بر کیلووات ساعت، طول عمر و ایمنی به گونه‌ای مقرون به صرفه ساخته شود.” باتری‌های حالت جامد دارای امپدانس داخلی بالا، عملکرد ضعیف در دمای پایین و در معرض رشد دندریت هستند.

لیتیوم سولفور (Li-S)

یکی از ویژگی‌های جالب لیتیوم سولفور یا لیتیوم گوگرد این است که در حین تخلیه، لیتیوم از سطح آند حل شده و هنگام بارگذاری مجدد بر روی آند، خود را برعکس می‌کند.

نقاط قوت لیتیوم سولفور

۱ – باتری لیتیوم سولفور دارای ولتاژ سلول 2.10 ولت است، ویژگی‌های تخلیه دمای سرد را به خوبی ارائه می‌دهد و می‌تواند در دمای 60- درجه سانتی گراد (76- درجه فارنهایت) شارژ شود.

۲ – باتری ساخته‌شده از لیتیوم سولفور سازگار با محیط زیست است.

۳ – باتری لیتیوم سولفور با جایگزینی فلز اکسید کاتد مورد‌استفاده در لیتیوم یون، با گوگردِ ارزان‌تر و سبک‌تر، وزن مرده را از بین می‌برد.

۴ – گوگرد دارای مزیت اضافی رزرو دوگانه اتم‌های لیتیوم است یعنی کاری که لیتیوم یون نمی‌تواند انجام دهد.

۵ –  با توجه به وزن اتمی کم لیتیوم و وزن متوسط ​​گوگرد، باتری‌های لیتیوم گوگرد انرژی ویژه بسیار بالایی برابر با  Wh/kg 550 ارائه می‌دهند که تقریباً سه برابر لیتیوم یون است. لیتیوم سولفور همچنین دارای قدرت ویژه ارزشمندWh/kg  2500 است.

نقاط ضعف لیتیوم سولفور

۱ – یک چالش با لیتیوم گوگرد عمر محدود چرخه آن است که تنها 40-50 بار عمل تخلیه را انجام می‌دهد زیرا گوگرد در حین چرخش با دور شدن از کاتد و واکنش با آند لیتیوم از بین می‌رود. در حال حاضر آزمایش‌های درون آزمایشگاهی، پیشرفت‌هایی را با دستیابی به 200 چرخه گزارش می‌دهند.

۲ –  مشکلات دیگر آن هدایت ضعیف، تخریب کاتد گوگرد با گذشت زمان و پایداری ضعیف در دما‌های بالاتر است.

سدیم یون (Na-ion)

امروزه از باتری سدیم یون یا نمک سدیم به عنوان یکی دیگر از باتری‌های موفق موجود در بازار نام برده می‌شود.

نقاط قوت سدیم یون

۱ – سدیم یون یک جایگزین ارزان قیمت احتمالی برای لیتیوم یون است زیرا ارزان و به راحتی در دسترس است.

۲ – در اواخر دهه 1980 لیتیوم به نفع سدیم یون کنار گذاشته شد زیرا سدیم یون این مزیت را دارد که می‌تواند بدون برخورد با تنش‌هایی که در سایر سیستم‌های باتری رایج است، به طور کامل تخلیه شود.

۳ – این نوع باتری را می‌توان بدون رعایت مقررات کالا‌های خطرناک حمل کرد.

۴ – برخی از سلول‌های آن دارای 3.6 ولت هستند و انرژی خاص آن حدودWh/kg  90 با هزینه هر کیلو وات ساعت است که مشابه باتری لید اسید است.

نقاط ضعف سدیم یون

۱ – هنگام شارژ کامل، توسعه بیشتر برای باتری نیاز است تا بهبود تعداد چرخه‌ها و جلوگیری از انبساط حجمی بزرگ به دست بیآید.

لیتیوم – منگنز – آهن – فسفات (LMFP)

گفته می‌شود که لیتیوم-منگنز-آهن-فسفات ظرفیت را تا 15 درصد نسبت به سیستم عادی باتری لیتیوم فسفات آهن افزایش می‌دهد. میانگین ولتاژ کارکرد 4.0 ولت، انرژی خاصWh/kg  135 و عمر چرخه 5000 است. هزینه و ایمنی اقتصادی از دیگر مزایای آن است که این باتری را به کاندیدای سیستم انتقال قدرت الکتریکی تبدیل کرده است.

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم شما را با باتری‌های جدید و آنچه در حال حاضر به عنوان باتری در آزمایشگاه‌ها نگهداری می‌شود آشنا کرده ، از نقاط ضعف و قوت آن‌ها نام برده و شما را با پیش‌بینی آینده باتری‌ها از دید دانشمندان همراه کنیم.

به عنوان حرف پایانی در زمینه آینده باتری‌ها، ذکر دو نکته اهمیت دارد :

۱ – سرمایه گذاران باید توجه داشته باشند که افزایش سرمایه زمان‌براست و بسیاری از استارتاپ‌ها به اندازه کل فرآیند انجام تحقیق و پژوهش، وقت خود را برای این کار اختصاص می‌دهند.

۲ – به نظر می‌رسد مسئله تجاری‌سازی تنها بر روی هدفی که همیشه یک دهه جلوتر است جریان دارد، اما دانشمندان نباید هیچ‌گاه تسلیم شوند.

حال شمایید که می‌توانید با کمک این متن هم‌نظر با دانشمندان، از آینده باتری‌ لیتومی مطلع شوید.

منبع : باتری یونیورسیتی