سه نوع باتری که آینده تامین انرژی را تضمین می کنند

سه نوع باتری در آینده تامین انرژی

امروزه، با پیشرفت سریع تکنولوژی نیاز جهان به منابع تولید انرژی افزایش یافته است. با افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی، تمرکز دانشمندان بر تولید انرژی‌های تمیز که به محیط‌زیست آسیب نرسانند افزایش پیدا کرده است. بشر در حال حاضر با استفاده از باتری‌های لیتیوم-یون که آلودگی زیست‌محیطی کمتری دارند، انرژی‌ الکتریکی مورد‌نیاز خود را ذخیره میکنند که در هدفون، اسپیکرها و … دیده میشود. اما سوال اینجاست، در زمینه ذخیره انرژی در سال‌های آینده چه اتفاقاتی رخ میدهد؟

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 میگیرد.

الکترولیت سبب جابه‌جایی آسان یون‌های لیتیوم میشود. استفاده از موادشیمیایی مختلف در کاتد، آند و الکترولیت، سبب تغییر رفتار باتری‌ها میشود؛ به طور مثال، باتری چه میزان انرژی میتواند ذخیره کند؟ باتری چه میزان انرژی در اختیار مصرف‌کننده قرار میدهد؟ باتری چند بار میتواند شارژ شود (چرخه سالخوردگی باتری)؟

شرکت‌های بزرگ تولید باتری، همواره در حال آزمایش برای یافتن موادشیمیایی ارزان‌تر، متراکم‌تر، سبک‌تر 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 ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی شده است، توضیحاتی به شرح زیر ارائه کرد:

نسل جدید باتری های لیتیوم-یون

باتری لیتیوم-یون چیست؟

در باتری‌های لیتیومی، با حرکت یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت به الکترود منفی و برعکس، ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی صورت میگیرد. یون‌های لیتیوم توسط الکترولیت از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل میشود. در باتری لیتیوم-یون، الکترود مثبت به عنوان منبع اولیه لیتیوم و الکترود منفی به عنوان میزبان یون‌های لیتیوم، ایفای نقش میکنند.

طی دهه‌ها تلاش شیمیدان‌ها و آزمایش‌های متعدد بر روی جنس آند و کاتد، باتری‌های لیتیوم-یون، به عنوان باتری‌های بهینه معرفی شده است. اکسیدها و فسفات‌های فلز لیتیوم، به عنوان الکترود مثبت، گرافیت یا گرافیت-سیلیکون و یا لیتیوم تیتانیوم اکسید به عنوان الکترود منفی، استفاده میشوند.

در واقعیت با توجه به موادشیمیایی موجود و طراحی سلول‌های باتری، انتظار میرفت در سال‌های آینده، انرژی ذخیره‌سازی باتری‌های لیتیومی به یک مقدار مشخص برسند. با این وجود، در اکتشافات اخیر، به فلزاتی هم‌خانواده با لیتیوم دست یافتیم که توانایی ذخیره‌سازی بیشتر یون‌لیتیوم در هر دو سمت مثبت و منفی را دارا میباشند و این فلزات محدودیت‌های گذشته را کاهش میدهند. علاوه بر این، در این ترکیبات جدید، کمبود و حساسیت مواداولیه نیز باید موردتوجه قرار بگیرد.

مزایای باتری لیتیوم-یون چیست؟

امروزه در میان تمام پیشرفت‌های فناوری در زمینه ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی، فناوری باتری‌های لیتیوم-یون، بالاترین چگالی انرژی را دارا میباشند.

با طراحی شیمیایی سلول‌ها، میتوان عملکرد باتری‌های لیتیومی از جمله شارژ سریع، عملکرد باتری در بازه‌ دمایی نسبتا زیاد (50 تا 125 درجه سانتیگراد)، را تنظیم کرد. علاوه بر این، باتری‌های لیتیومی مزیت‌های دیگری نیز دارند؛ از جمله، ظرفیت خود تخلیگی کمی دارند (یعنی باتری خودش انرژی خود را مصرف نمیکند.)، دارای طول عمر زیادی هستند، به طور معمول توانایی دارند هزاران بار شارژ و دشارژ شوند.

چه زمانی، باتری‌های لیتیوم-یون نسل جدید ظهور میکنند؟

انتظار میرود، نسل جدید باتری‌های لیتیوم-یونی پیشرفته، قبل از نسل اول باتری‌های حالت جامد (solid-states battery) مستقر شوند. این باتری‌ها در کاربردهای مختلف از جمله، ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدید‌پذیر، حمل و نقل (دریایی، هوایی، راه‌آهن)، ایده‌آل هستند؛ زیرا دارای ایمنی، قدرت و انرژی زیاد هستند.

باتری‌های لیتیوم-سولفور (لیتیوم-گوگرد)

باتری لیتیوم-سولفور چیست؟

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

مزایای باتری لیتیوم-سولفور چیست؟

در باتری‌های 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 میکنند. این مواد فعال، سبب میشوند چگالی انرژی باتری لیتیوم- سولفور به شدت زیاد شود، این چگالی انرژی حدودأ چهار برابر باتری لیتیوم-یون است. چگالی انرژی زیاد این باتری‌ها سبب شده در صنایع فضایی مورداستفاده قرار بگیرند.

شرکت Soft، روی امیدوار‌کننده‌ترین تکنولوژی باتری لیتیوم-سولفور، یعنی باتری لیتیوم-سولفور با الکترولیت جامد تمرکز کرده است و از آن حمایت میکند. انتخاب الکترولیت جامد سبب افزایش چگالی انرژی، افزایش عمر باتری میشود 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 میباشد (حدود 30% انرژی بیشتر در واحد حجم Wh/Kg).

چه زمانی، باتری‌های لیتیوم-سولفور نسل جدید ظهور میکنند؟

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 میرود این فناوری دقیقاً پس از تکنولوژی باتری‌های لیتیوم-یون با الکترولیت جامد به بازار برسد.

باتری‌های حالت جامد (باتری‌هایی که دارای الکترولیت جامد هستند)

باتری حالت جامد چیست؟

باتری‌های حالت جامد، موجب تغییر تکنولوژی باتری‌ها شده است. در باتری‌های لیتیوم-یونی جدید، یون‌های لیتیوم با کمک الکترولیت مایع، از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل میشوند (که به آن هدایت یونی میگویند). در تمام باتری‌های حالت جامد، یک ترکیب جامد جایگزین الکترولیت مایع میشود، یون‌ها با استفاده از این الکترولیت جامد از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل میشوند، یون‌ها در الکترولیت جامد حرکت میکنند. الکترولیت جامد موضوع جدیدی به حساب نمی‌آید.

فرضیه الکترولیت جامد سالهاست مطرح است، اما به دلیل هدایت یونی ضعیف‌تر نسبت به الکترولیت مایع، مورد استقبال قرار نمیگرفت. اما در ده سال اخیر و به لطف تلاش شبانه‌روزی محققان، خانواده جدیدی از الکترولیت‌های جامد کشف شد که در رسانش یونی بسیار شبیه به الکترولیت‌های مایع عمل میکند. از این رو باتری‌های حالت جامد در سال‌های اخیر، مجدد موردتوجه 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 الکترولیت‌های جامد، افزایش امنیت در سلول‌های باتری هست، چرا که الکترولیت‌های جامد بر خلاف الکترولیت‌های مایع، با قرار گرفتن در مقابل حرارت و گرما، آتش نمیگیرند. دومین مزیت استفاده از الکترولیت جامد، افزایش خلاقیت باتری است که شامل، استفاده از مواد با ولتاژ و ظرفیت بالاتر، متراکم‌تر شدن باتری، سبک‌تر شدن باتری، افزایش طول عمر و کاهش خود تخلیگی باتری، میشود. 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 باتری‌ها نرخ تولید انرژی در واحد جرم زیادی دارند (انرژی زیاد و جرم کم دارند)، برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی مناسب هستند.

چه زمانی، باتری‌های حالت جامد نسل جدید ظهور میکنند؟

انواع مختلفی از باتری‌های حالت جامد احتمالاً با ادامه پیشرفت تکنولوژی به بازار عرضه میشوند. اولین باتری‌های حالت جامد با آند گرافیتی، باعث افزایش تولید انرژی و امنیت باتری میشود. با گذشت زمان، باتری‌های حالت جامد سبکتر با استفاده از فلز لیتیوم به عنوان آند باید از نظر تجاری به‌صرفه و در دسترس قرار بگیرند.