سه نوع باتری که آینده تامین انرژی را تضمین می کنند

 

امروزه، با پیشرفت سریع تکنولوژی نیاز جهان به منابع تولید انرژی افزایش یافته است. با افزایش آلودگی های زیست محیطی، تمرکز دانشمندان بر تولید انرژی های تمیز که به محیط زیست آسیب نرسانند افزایش پیدا کرده است. بشر در حال حاضر با استفاده از باتری های لیتیوم-یون که آلودگی زیست محیطی کمتری دارند، انرژی الکتریکی مورد نیاز خود را ذخیره می کنند. اما سوال اینجاست، در زمینه ذخیره انرژی در سال های آینده چه اتفاقاتی رخ می دهد؟

بیایید با برخی از اصول اولیه باتری شروع کنیم. هر پک باتری از یک یا چند سلول تشکیل شده است. هر سلول خود از الکترود مثبت (کاتد)، الکترود منفی (آند) و یک الکترولیت تشکیل شده است. الکترولیت هم به صورت مایع و هم جامد وجود دارد و بین دو الکترود قرار می گیرد. الکترولیت سبب جا به جایی آسان یون های لیتیوم می شود. استفاده از مواد شیمیایی مختلف در کاتد، آند و الکترولیت، سبب تغییر رفتار باتری ها می شود؛ به طور مثال، باتری چه میزان انرژی می تواند ذخیره کند؟ باتری چه میزان انرژی در اختیار مصرف کننده قرار می دهد؟ باتری چند بار می تواند شارژ و دشارژ شود (چرخه سالخوردگی باتری)؟

شرکت های بزرگ تولید باتری، همواره در حال آزمایش برای یافتن مواد شیمیایی ارزان تر، متراکم تر، سبک تر  که دارای چگالی انرژی بیشتر باشد، هستند. ما با پاتریک برنارد مدیر بخش تحقیقاتی شرکت Saft صحبت کردیم، او درباره سه تکنولوژی جدید باتری که سبب تحول در ذخیره سازی انرژی الکتریکی شده است، توضیحاتی به شرح زیر ارائه کرد:

نسل جدید باتری های لیتیوم-یون

باتری لیتیوم-یون چیست؟

در باتری های لیتیومی، با حرکت یون های لیتیوم از از الکترود مثبت به الکترود منفی و برعکس، ذخیره و آزاد سازی انرژی الکتریکی صورت می گیرد. یون های لیتیوم توسط الکترولیت از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می شود. در باتری لیتیوم-یون، الکترود مثبت به عنوان منبع اولیه ی لیتیوم و الکترود منفی به عنوان میزبان یون های لیتیوم، ایفای نقش می کنند. طی دهه ها تلاش شیمیدان ها و آزمایش های متعدد بر روی جنس آند و کاتد، باتری های لیتیوم-یون، به عنوان باتری های بهینه معرفی شده است. اکسید ها و فسفات های فلز لیتیوم، به عنوان الکترود مثبت، گرافیت یا گرافیت-سیلیکون و یا لیتیوم تیتانیوم اکسید به عنوان الکترود منفی، استفاده می شوند.

در واقعیت با توجه به مواد شیمیایی موجود و طراحی سلول های باتری، انتظار می رفت در سال های آینده، انرژی ذخیره سازی باتری های لیتیومی به یک مقدار مشخص برسند. با این وجود، در اکتشافات اخیر، به فلزاتی هم خانواده با لیتیوم دست یافتیم که توانایی ذخیره سازی بیشتر یون لیتیوم در هر دو سمت مثبت و منفی را دارا می باشند و این فلزات محدودیت های گذشته را کاهش می دهند. علاوه بر این ، در این ترکیبات جدید، کمبود و حساسیت مواد اولیه نیز باید مورد توجه قرار بگیرد.

 

مزایای باتری لیتیوم-یون چیست؟

امروزه در میان تمام پیشرفت های فناوری در زمینه ذخیره سازی انرژی الکتریکی، فناوری باتری های لیتیوم-یون، بالاترین چگالی انرژی را دارا می باشند. با طراحی شیمیایی سلول ها، می توان عملکرد باتری های لیتیومی از جمله شارژ سریع، عملکرد باتری در بازه دمایی نسبتا زیاد (-50 تا 125 درجه سانتی گراد)، را تنظیم کرد. علاوه بر این، باتری های لیتیومی مزیت های دیگری نیز دارند؛ از جمله، ظرفیت خود تخلیگی کمی دارند (یعنی باتری خودش انرژی خود را مصرف نمی کند.)، دارای طول عمر زیادی هستند، به طور معمول توانایی دارند هزاران بار شارژ و دشارژ شوند. 

 

چه زمانی، باتری های لیتیوم-یون نسل جدید ظهور می کنند؟

انتظار می رود، نسل جدید باتری های لیتیوم-یونی پیشرفته، قبل از نسل اول باتری های حالت جامد (solid-states battery) مستقر شوند. این باتری ها در کاربردهای مختلف از جمله، ذخیره سازی انرژی های تجدید پذیر، حمل و نقل (دریایی، هوایی، راه آهن)، ایده آل هستند؛ زیرا دارای ایمنی، قدرت و انرژی زیاد هستند.

 

باتری های لیتیوم-سولفور (لیتیوم-گوگرد)

 

باتری لیتیوم-سولفور چیست؟

در باتری های لیتیوم-یون، یون های لیتیوم در یک فلز فعال (مانند گرافیت) ذخیره می شوند، این فلز فعال مانند یک میزبان عمل می کند. در هنگام شارژ، در بین صفحات خود لیتیوم را ذخیره میکند؛ متعاقبا در هنگام دشارژ یون های لیتیوم را آزاد می کند و در ساختار خودش تغییری ایجاد نمی شود. در باتری های لیتیوم-سولفور (Li-S) ساختار میزبان وجود ندارد. در هنگام دشارژ خود فلز آند لیتیوم مصرف می شود و گوگرد به مواد شیمیایی متفاوتی تبدیل می شود، در طول شارژ، روند معکوس طی می شود.

 

مزایای باتری لیتیوم-سولفور چیست؟

در باتری های Li-S، از مواد به شدت فعال به عنوان الکترود استفاده شده است، گوگرد به عنوان الکترود مثبت و فلز لیتیوم به عنوان الکترود منفی، ایفای نقش می کنند. این مواد فعال، سبب می شوند چگالی انرژی باتری لیتیوم- سولفور به شدت زیاد شود، این چگالی انرژی حدودأ چهار برابر باتری لیتیوم-یون است. چگالی انرژی زیاد این باتری ها سبب شده در صنایع فضایی مورد استفاده قرار بگیرند.

شرکت Soft، روی امیدوار کننده ترین تکنولوژی باتری لیتیوم-سولفور، یعنی باتری لیتیوم-سولفور با الکترولیت جامد تمرکز کرده است و از آن حمایت می کند. انتخاب الکترولیت جامد سبب افزایش چگالی انرژی، افزایش عمر باتری می شود و اشکالات باتری لیتیوم-سولفور با الکترولیت مایع را بهبود میبخشد (خود تخلیگی زیاد، عمر محدود و ....).

علاوه بر این، باتری لیتیوم-سولفور با الکترولیت جامد، نسبت به باتری لیتیوم-یون با الکترولیت جامد، دارای چگالی انرژی بیشتر در واحد حجم می باشد (حدود 30% انرژی بیشتر در واحد حجم Wh/Kg).

 

چه زمانی، باتری های لیتیوم-سولفور نسل جدید ظهور می کنند؟

در حال حاضر موانع مهم این تکنولوژی برطرف شده است و سطح تکامل این تکنولوژی خیلی سریع به در حال پیشرفت است.

این باتری برای کاربردهایی که به عمر طولانی باتری نیاز دارند، مناسب است. انتظار می رود این فناوری دقیقاً پس از تکنولوژی باتری های لیتیوم-یون با الکترولیت جامد به بازار برسد.

 

باتری های حالت جامد (باتری هایی که دارای الکترولیت جامد هستند)

باتری حالت جامد چیست؟

باتری های حالت جامد، موجب تغییر تکنولوژی باتری ها شده است. در باتری های لیتیوم-یونی جدید، یون های لیتیوم با کمک الکترولیت مایع، از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می شوند (که به آن هدایت یونی می گویند). در تمام باتری های حالت جامد، یک ترکیب جامد جایگزین الکترولیت مایع می شود، یون ها با استفاده از این الکترولیت جامد از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می شوند، یون ها در الکترولیت جامد حرکت می کنند. الکترولیت جامد موضوع جدیدی به حساب نمی آید. فرضیه الکترولیت جامد سال هاست مطرح است، اما به دلیل هدایت یونی ضعیف تر نسبت به الکترولیت مایع، مورد استقبال قرار نمی گرفت. اما در ده سال اخیر و به لطف تلاش شبانه روزی محققان، خانواده جدیدی از الکترولیت های جامد کشف شد که در رسانش یونی بسیار شبیه به الکترولیت های مایع عمل می کند. از اینرو باتری های حالت جامد در سال های اخیر، مجدد مورد توجه قرار گرفت.

امروزه، بخش تحقیق و توسعه شرکت Soft، روی دو ماده اصلی متمرکز است: پلیمرها و ترکیبات غیر آلی، با هدف هم افزایی خواص فیزیکی و شیمیایی مانند پردازش، پایداری، هدایت و ....

مزایای باتری حالت جامد چیست؟

اولین و بزرگترین مزیت الکترولیت های جامد، افزایش امنیت در سلول های باتری هست، چرا که الکترولیت های جامد بر خلاف الکترولیت های مایع، با قرار گرفتن در مقابل حرارت و گرما، آتش نمی گیرند. دومین مزیت استفاده از الکترولیت جامد، افزایش خلاقیت باتری است که شامل، استفاده از مواد با ولتاژ و ظرفیت بالاتر، متراکم تر شدن باتری، سبک تر شدن باتری، افزایش طول عمر و کاهش خود تخلیگی باتری، می شود. علاوه بر این، در سطح سیستم، مزایای دیگری مانند مکانیک ساده و همچنین مدیریت حرارتی و ایمنی را به همراه خواهد داشت.

از آنجا که این باتری ها نرخ تولید انرژی در واحد جرم زیادی دارند (انرژی زیاد و جرم کم دارند)، برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی مناسب هستند.

چه زمانی، باتری های حالت جامد نسل جدید ظهور می کنند؟

انواع مختلفی از باتری های حالت جامد احتمالاً با ادامه پیشرفت تکنولوژی به بازار عرضه می شوند. اولین باتری های حالت جامد با آند گرافیتی، باعث افزایش تولید انرژی و امنیت باتری می شود. با گذشت زمان، باتری های حالت جامد سبک تر با استفاده از فلز لیتیوم به عنوان آند باید از نظر تجاری به صرفه و در دسترس قرار بگیرند.