باتری ها در آینده چطور خواهند شد؟

رایج ترین سیستم های باتری ما امروزه لیتیوم یون و اسید سرب هستند. البته که باید در هر صنعت توسعه و بهبودی نسبت به زمان حال شکل بگیرد. 

ذخیره سازی انرژی الکتریکی به روشی اقتصادی یکی از چالش های هنوز حل نشده ما در جامعه مدرن باقی مانده است. یک ضرب المثل می گوید: “هر 1٪ بهبود در عملکرد باتری، برنامه های باتری را 10٪ گسترش می دهد.” یک دستورالعمل ساده نشان می دهد: “هزینه انرژی زمانی که برای استفاده مجدد در باتری ذخیره می شود دو برابر می شود.”

از نظر طول عمر، پیشرفت هایی در باتری لیتیوم یونی با استفاده از مواد کاتد تک کریستال ایجاد شده است. به دست آوردن عمر طولانی تر و نگه داشتن ظرفیت بالاتر توسط صنعت وسایل نقلیه الکتریکی که برای عمر باتری 15 ساله تلاش می کنند، هدایت می شود.
با این حال، تا زمانی که تلفن‌های همراه در بازار مصرف از انواع رایج لیتیوم یونی استفاده کنند که با حداکثر ولتاژ مجاز شارژ می‌شوند، طول عمر آنها کوتاه خواهد بود.

از نظر انرژی ویژه، آند نانوسیم سیلیکونی به وات ساعت بالایی در هر کیلوگرم (Wh/kg) دست می‌یابد که می‌تواند دو برابر سلول‌های Li-ion تجاری باشد، اما ساختارهای مبتنی بر نانوسیم Si عمر چرخه‌ای محدودی دارند. جزایر Si در مقیاس ریز در زیر آرایه‌های نانوسیم با چرخش ایجاد می‌شوند که استرس و ترک‌خوردگی ایجاد می‌کند. کاهش ظرفیت ناشی از کاهش تماس با کلکتورهای جریان است.

محققان همچنین ساختار آندی را برای باتری‌های لیتیوم یونی ایجاد کرده‌اند که بر اساس مواد نانوکامپوزیت سیلیکون-کربن است. یک آند سیلیکون از نظر تئوری می تواند 10 برابر انرژی آند گرافیت ذخیره کند، اما انبساط و انقباض در حین شارژ و تخلیه سیستم را ناپایدار می کند. گفته می شود افزودن گرافیت به آند به ظرفیت نظری دست می یابد که پنج برابر یون لیتیوم معمولی با عملکرد پایدار است، با این حال، عمر چرخه به دلیل مشکلات ساختاری هنگام وارد کردن و استخراج لیتیوم یون در حجم بالا محدود می شود.

برآورده کردن هشت نیاز اساسی باتری هشت ضلعی یک چالش است. به نظر می رسد تجاری سازی بر روی یک هدف متحرک متمرکز است که همیشه یک دهه جلوتر است، اما دانشمندان تسلیم نمی شوند. در اینجا تعدادی از امیدوارکننده ترین باتری های به حالت تجربی آورده شده است.

لیتیوم هوا (Li-air)

این نوع باتری مرز جدید هیجان انگیزی را فراهم می کند زیرا این باتری وعده می دهد انرژی بسیار بیشتری را نسبت به فناوری های فعلی لیتیوم یون ذخیره می کند. دانشمندان این ایده را از روی-هوا و سلول سوختی در ایجاد هوای “تنفس” باتری گرفته اند. باتری از یک کاتد هوای کاتالیزوری استفاده می کند که اکسیژن، الکترولیت و آند لیتیوم را تامین می کند.

انرژی ویژه نظری لیتیوم-هوا 13 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است. آلومینیوم-هوا نیز در حال آزمایش است و مقدار آن در 8 کیلووات ساعت بر کیلوگرم کمی کمتر است. اگر این انرژی‌ها واقعاً قابل تحویل باشند، هوای فلزی، همانطور که باتری نیز شناخته می‌شود، با بنزین تقریباً 13 کیلووات ساعت بر کیلوگرم برابری می‌کند. اما حتی اگر محصول نهایی فقط یک چهارم چگالی انرژی نظری باشد، موتور الکتریکی با بازدهی بهتر از 90 درصد ظرفیت کمتر خود را در برابر ICE با بازده حرارتی تنها 25 تا 30 درصد جبران می‌کند.

مانند سایر باتری های لیتیوم هوا ، توان ویژه ممکن است کم باشد، مخصوصاً در دمای سرد. همچنین گفته می شود که خلوص هوا یک چالش است زیرا هوایی که ما در شهرهایمان تنفس می کنیم به اندازه کافی برای هوای لیتیوم تمیز نیست و باید فیلتر شود.

همانطور که می دانیم، باتری ممکن است به کمپرسورها، پمپ ها و فیلترهایی شبیه یک سلول سوختی ختم شود که 30 درصد انرژی تولید شده خود را برای پشتیبانی کمکی برای زنده ماندن مصرف می کند.

لیتیوم فلزی (Li-metal)

توضیحاتی در مورد فلز لیتیوم

فلز لیتیوم به دلیل انرژی ویژه بالا و قابلیت بارگیری خوب، مدت‌ها به عنوان باتری قابل شارژ آینده شناخته می‌شود. با این حال، رسوب کنترل نشده لیتیوم باعث رشد دندریت می شود که با نفوذ به جداکننده و ایجاد اتصال الکتریکی، خطرات ایمنی را به همراه دارد.

پس از چندین تلاش ناموفق برای تجاری سازی باتری های لیتیوم فلزی قابل شارژ، تحقیقات و ساخت محدود این باتری ادامه دارد. در سال 2010، یک لیتیوم-فلز آزمایشی با ظرفیت 300Wh/kg در یک خودروی الکتریکی آزمایشی نصب شد.

استفاده در ماشین ها

یک آئودی A2 با این باتری ها با یک بار شارژ بیش از 450 کیلومتر (284 مایل) را از مونیخ تا برلین طی کرد. شایعه ای وجود دارد مبنی بر اینکه خودرو در حین آزمایش آزمایشگاهی خود را در اثر آتش سوزی از بین برده است. اگرچه باتری‌های لیتیوم فلزی تست‌های تاییدیه سخت‌گیرانه را پشت سر گذاشتند، اما ایمنی طولانی‌مدت همچنان یک مشکل باقی می‌ماند، زیرا رشته‌های فلزی ممکن است باعث اتصال برق شوند.

راه حلی برای مهار رشد دندریت ممکن است سریع به نظر برسد. برای تولید رسوبات بدون دندریت بر روی باتری‌های فلزی لیتیوم، آزمایش‌هایی با افزودن نانوالماس به عنوان یک افزودنی الکترولیت انجام می‌شود. این کار بر اساس این اصل کار می‌کند که لیتیوم ترجیح می‌دهد روی سطح الماس جذب شود، که منجر به رسوب یکنواخت و افزایش عملکرد دوچرخه‌سواری می‌شود.

آزمایش‌ها دوچرخه‌سواری پایدار را به مدت 200 ساعت نشان داده‌اند، اما این تضمین کافی برای برنامه‌های مصرف‌کننده، مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها را نخواهد داشت. در ارتباط با کار تحقیقاتی، باتری‌های لیتیوم فلزی ممکن است به اقدامات احتیاطی دیگری از جمله الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال، مواد الکترود ایمن‌تر و جداکننده‌های قوی‌تر نیاز داشته باشند.

لیتیوم حالت جامد

تحقیقات و توسعه زیادی با الکترولیت‌های حالت جامد مختلف، مانند الکترولیت‌های مبتنی بر اکسید معدنی و مبتنی بر سولفید، و همچنین الکترولیت‌های جامد پلیمری و مرکب انجام می‌شود. هر نوع الکترولیت حالت جامد برای رسیدن به بلوغ فناوری چالش هایی دارد و هنوز تسلط روشنی بر بازار و فناوری برنده مشاهده نشده است.

یون لیتیوم فعلی از یک آند گرافیتی استفاده می کند و این باعث کاهش انرژی ویژه می شود. فناوری حالت جامد، گرافیت را با لیتیوم خالص جایگزین می کند و الکترولیت مایع خیس شده در جداکننده متخلخل را با پلیمر جامد یا جداکننده سرامیکی جایگزین می کند. این شبیه به لیتیوم پلیمر 1970 است که به دلایل ایمنی و عملکردی متوقف شد.

باتری حالت جامد شباهت هایی با لیتیوم-فلز دارد و دانشمندان تلاش می کنند بر مشکل تشکیل رشته فلزی (دندریت) حتی با جداکننده های پلیمری خشک و سرامیکی غلبه کنند. چالش‌های دیگر عبارتند از رسانایی ضعیف در دماهای سرد، دشواری در تشخیص مشکلات در سلول و تعداد چرخه پایین. گفته می شود که نمونه های اولیه حالت جامد فقط به 100 چرخه می رسند.

باتری‌های حالت جامد در مقایسه با لیتیوم یون معمولی وعده ذخیره دو برابر انرژی را می‌دهند، اما قابلیت بارگیری ممکن است کم باشد، که باعث می‌شود برای پیشرانه‌های الکتریکی و کاربردهایی که نیاز به جریان بالا دارند، مناسب‌تر نباشند.
برنامه‌های هدفمند، برای سطح بندی بار برای منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین خودروهای برقی با استفاده از زمان‌های شارژ کوتاهی است که این باتری اجازه می‌دهد. آزمایشگاه های تحقیقاتی، از جمله بوش، پیش بینی می کنند که باتری حالت جامد ممکن است تا سال 2020 به صورت تجاری در دسترس باشد و در سال 2025 در خودروها پیاده سازی شود.

لیتیوم-گوگرد (Li-S)

به دلیل وزن اتمی کم لیتیوم و وزن متوسط گوگرد، باتری های لیتیوم-گوگرد انرژی ویژه بسیار بالایی 550 وات ساعت بر کیلوگرم، تقریباً سه برابر لیتیوم یون، ارائه می دهند. Li-S همچنین دارای قدرت ویژه قابل احترام 2500W/kg است.
در حین تخلیه، لیتیوم از سطح آند حل می شود و هنگام شارژ شدن با آبکاری دوباره روی آند، خود را برعکس می کند. Li-S دارای ولتاژ سلولی 2.10 ولت است، ویژگی های تخلیه دمای سرد خوبی را ارائه می دهد و می تواند در دمای -60 درجه سانتیگراد (-76 درجه فارنهایت) شارژ شود. باتری سازگار با محیط زیست است. گوگرد، ماده اصلی، به وفور در دسترس است. گفته می شود قیمت 250 دلار آمریکا برای هر کیلووات ساعت امکان پذیر است.

یک لیتیوم یون معمولی دارای یک آند گرافیتی است که مانند هتلی که مهمانان را رزرو می کند، میزبان یون های لیتیوم است. در هنگام تخلیه، باتری یون ها را به کاتد رها می کند و میهمانانی را که صبح از خانه خارج می شوند، تکرار می کند.

در Li-S، گرافیت با فلز لیتیوم، کاتالیزوری که وظیفه مضاعف الکترود و تامین کننده یون های لیتیوم را فراهم می کند، جایگزین می شود. باتری Li-S با جایگزین کردن کاتد اکسید فلزی مورد استفاده در لیتیوم یون با گوگرد ارزان‌تر و سبک‌تر، از شر وزن مرده خلاص می‌شود. گوگرد دارای مزیت اضافی رزرو دوبار اتم های لیتیوم است، کاری که Li-ion نمی تواند انجام دهد.

چالش لیتیوم-گوگرد، عمر چرخه محدود تنها 40 تا 50 بار/تخلیه است، زیرا گوگرد در طول دوچرخه سواری با دور شدن از کاتد و واکنش با آند لیتیوم از بین می رود. آزمایشگاه‌های آزمایش اکنون با دستیابی به 200 چرخه، بهبودهایی را گزارش می‌کنند. مشکلات دیگر رسانایی ضعیف، تخریب کاتد گوگرد با گذشت زمان و پایداری ضعیف در دماهای بالاتر است. از سال 2007، مهندسان استنفورد با نانوسیم آزمایش کردند. آزمایش‌هایی با گرافن نیز با نتایج امیدوارکننده‌ای انجام می‌شود.

یون سدیم (Na-ion)

یون سدیم یک جایگزین احتمالی کم‌هزینه برای یون لیتیوم است زیرا سدیم ارزان و به آسانی در دسترس است. با کنار گذاشتن در اواخر دهه 1980 به نفع لیتیوم، Na-ion این مزیت را دارد که می‌توان آن را بدون مواجهه با تنش‌هایی که در سایر سیستم‌های باتری رایج است، کاملاً تخلیه کرد.
باتری را نیز می توان بدون رعایت مقررات کالاهای خطرناک حمل کرد. برخی از سلول ها دارای ولتاژ 3.6 ولت هستند و انرژی ویژه حدود 90 وات ساعت بر کیلوگرم با هزینه هر کیلووات ساعت است که مشابه باتری اسید سرب است. توسعه بیشتر برای بهبود تعداد چرخه و حل انبساط حجمی زیاد زمانی که باتری کاملاً شارژ می شود مورد نیاز است.

لیتیوم – منگنز – آهن – فسفات (LMFP)

گفته می شود که لیتیوم-منگنز-آهن-فسفات ظرفیت را تا 15% نسبت به سیستم معمولی Li-Phosphate LiFePO4 افزایش می دهد. متوسط ولتاژ کاری 4.0 ولت، انرژی ویژه 135 وات ساعت بر کیلوگرم و عمر چرخه آن 5000 است. هزینه مقرون به صرفه و ایمنی از دیگر مزایایی است که این باتری را به نامزدی برای پیشرانه الکتریکی تبدیل کرده است.

نظر شما در مورد این مقاله چیست؟ به نظر شما آینده باتری ها چطور خواهد بود؟

شما میتوانید خرید باتری لیتیومی به فروشگاه رونیتک مراجعه کنید

همچنین شما میتوانید سایر مقالات ما در مورد باتری لیتیومی را مطالعه کنید :

باتری لیتیوم یونی چیست؟

آیا باتری لیتیوم یون یک باتری ایده آل است؟

باتری لیتیومی چگونه کار می کند؟ + (تاریخچه باتری لیتیومی)