شش تکنولوژی شگفت‌انگیز جدید باتری!

آیا یکی از فناوری‌های جدید باتری می‌تواند جایگزین مناسبی برای باتری‌های لیتیوم یونی باشد؟

همه دستگاه‌های باتری‌دار، از تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها گرفته تا خودروهای الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، به فناوری باتری‌های لیتیوم یونی متکی‌اند. از آنجایی که باتری‌های لیتیوم یونی قادرند مقدار قابل توجهی انرژی را در خود ذخیره کنند، به سرعت شارژ شوند و عمر طولانی داشته باشند، به باتری منتخب دستگاه‌های جدید تبدیل شدند.

اما فناوری‌های جدید باتری برای رقابت با باتری‌های لیتیوم یونی از نظر کارایی، هزینه و پایداری در حال تحقیق و توسعه هستند.

در اینجا چند فناوری باتری جدید وجود دارد که روزی می‌تواند جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی شوند:

• باتری‌های حالت جامد (Solid-state)
• باتری‌های لیتیوم سولفور (Lithium-sulfur)
• باتری‌های لیتیوم یونی بدون کبالت (Cobalt-free lithium-ion)
• باتری‌های سدیم یون (Sodium-ion)
• باتری‌های آهن-هوا (Iron-air)
• باتری‌های مبتنی بر روی (Zinc-based)

خیلی از فناوری‌های باتری جدید لزوماً در مورد تأمین انرژی دستگاه‌ها یا ذخیره انرژی، چرخه تولید انرژی را دوباره اختراع نمی‌کنند، بلکه همان کار باتری‌های لیتیوم یونی را انجام می‌دهند، فقط با مواد مختلف!

و در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی در چند سال اخیر راه زیادی را پیموده‌اند، به‌ویژه موقع صحبت از افزایش عمر گوشی‌های هوشمند با شارژ کامل یا مقدار مسافتی که یک خودروی الکتریکی می‌تواند با یک بار شارژ طی کند، می‌بینیم این باتری‌ها هم چالش‌ها و مسائل خود را دارند. بزرگ‌ترین نگرانی‌ها و انگیزه اصلی محققان و استارت‌آپ‌ها برای تمرکز بر فناوری‌های جدید باتری، مربوط به مساله ایمنی‌ست. به‌ویژه خطر آتش‌سوزی، و پایداری مواد مورد استفاده در تولید باتری‌های لیتیوم یون، یعنی کبالت، نیکل و منیزیم.

 

نحوه عملکرد باتری‌های لیتیوم یون

1. لیتیوم در آنُد باتری، یعنی الکترود با بار مثبت و نیز در کاتد، یعنی الکترود با بار منفی ذخیره می‌شود.
2. یک الکترولیت مایع یا جداکننده، یون‌های لیتیوم با بار مثبت را بین آند و کاتد منتقل می‌نماید و حرکت آن به ایجاد الکترون‌های آزاد در آند کمک می‌کند.
3. در نتیجه، شارژی در جمع کننده جریان مثبت باتری ایجاد می‌شود که از طریق دستگاه به جمع کننده جریان منفی باتری جریان می‌یابد.
4. موقع تغذیه دستگاه، آند، یون‌های لیتیوم را به کاتد منتقل می‌کند و موقع شارژ، کاتد آنها را برمی‌گرداند.

باتری‌های حالت جامد

نحوه عملکرد:

این باتری‌ها به جای تکیه بر الکترولیت مایع یا ژل، الکترولیت جامد دارند که معمولاً از جنس سرامیک، شیشه، پلیمر جامد یا ساخته شده با سولفیت هستند.

نحوه استفاده:

در سال ۲۰۲۳، شرکت خودروساز بی‌ام‌دبلیو اعلام کرد که آزمایش باتری‌های حالت جامد را که توسط شرکت باتری سازی سالید پاور برای استفاده در خودروهای الکتریکی خودش توسعه یافته، آغاز خواهد کرد و این باتری آزمایشی دارای الکترولیت سولفید خواهد بود. همچنین تلاش‌هایی برای توسعه باتری‌های حالت جامد انجام دادند تا بتوانند برای تغذیه تلفن‌های هوشمند مورد استفاده قرار بگیرند؛ در حال حاضر این باتری‌ها در ضربان سازها و بعضی از ساعت‌های هوشمند استفاده می‌شوند.

 مزایا و معایب:

در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی، باتری‌های حالت جامد کارآمدترند و در مقایسه با باتری‌های هم اندازه، توان بیشتری تولید می‌کنند. در نتیجه، باتری‌های EV )خاص لوازم الکتریکی) می‌توانند فشرده‌تر، از نظر شارژ سریع‌تر و دارای وزن کمتری باشند که می‌تواند بُرد را افزایش دهد. اعتقاد بر این است که باتری‌های حالت جامد طولانی‌تر دوام می‌آورند: با هفت برابر بیشتر شارژ در طول عمرشان. همچنین ایمن‌ترند، چون مواد الکترولیت جامد بر خلاف باتری‌های لیتیوم یون، که خطر آتش سوزی دارند، نسوز هستند.

با توجه به آزمایش‌ها و قابلیت‌های تولید محدود، در حال حاضر یکی از اشکالات باتری‌های حالت جامد این است که اندازه‌گیری یک فناوری در مراحل اولیه برای استفاده گسترده خیلی دشوار است. اما به گفته متخصصین، باتری‌های حالت جامد می‌توانند در اوایل سال ۲۰۲۴ انرژی بعضی خودروهای الکتریکی را تامین کنند.

 

باتری‌های لیتیوم-گوگرد

نحوه عملکرد:

این فناوری جدید باتری از گوگرد بعنوان کاتد باتری استفاده می‌کند که پایدارتر از نیکل و کبالت است و معمولاً در آند بهمراه فلز لیتیوم یافت می‌شود.

نحوه استفاده:

به گزارش پایگاه خبری انرژی پاک، شرکت‌هایی مثل کونامیکس که سازنده باتری خودروهای الکتریکی است، در تلاش‌اند تا باتری‌های لیتیوم سولفور را به واقعیت تبدیل کنند و ظرف پنج سال آینده آنها را به صورت تجاری در دسترس قرار دهند. حتی این امید وجود دارد که باتری‌های لیتیوم-گوگرد علاوه بر ذخیره انرژی برای تامین انرژی هواپیماها و قطارها، مورد استفاده قرار بگیرند.

مزایا و معایب:

این باور وجود دارد که باتری‌های لیتیوم-گوگرد کارآمدتر از باتری‌های لیتیوم-یون هستند که می‌تواند برد و ظرفیت ذخیره سازی وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش دهد. علاوه بر این، گوگرد مقرون به صرفه و فراوان است و می‌تواند هزینه‌ها را کمتر کند.  از آنجایی که فرآیند ساخت این باتری‌ها مثل فرآیندی است که برای باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود، می‌شود از همین امکانات برای تولید هم استفاده کرد. این باتری‌ها همچنین برای تولید به انرژی کمتری نیاز دارند و هزینه‌ها را تا بیش از ۲۵٪ کاهش می‌دهند.

یکی از اشکالات عمده این فناوری جدید، خوردگی است، اگرچه طراحی‌های جدیدی برای مهار آن در حال انجام است. عیب دیگرش اینست که این باتری‌ها در وضعیت فعلی خود تقریباً به اندازه باتری‌های لیتیوم یونی دوام نمی‌آورند (تقریباً نیمی از چرخه‌های شارژ موجود دوام دارند).

باتری‌های لیتیوم یونی بدون کبالت

نحوه عملکرد:

این باتری‌ها مثل باتری‌های لیتیوم یونی کار می‌کنند، اما حاوی کبالت نیستند، که معمولاً برای تثبیت کاتد در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود.

نحوه استفاده:

این باتری‌ها را می‌شود در هر دستگاهی که با باتری لیتیوم یونی کار می‌کند استفاده کرد، اما بیشتر تمرکز بر روی توسعه این باتری‌ها برای خودروهای الکتریکی است. لیتیوم فسفات آهن که در حال حاضر توسط تسلا در بعضی از مدل‌های خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود، به‌زودی می‌تواند توسط فورد و فولکس واگن استفاده شود. نیکل نیز مورد استفاده قرار می گیرد، اما نیکل هم نقص خاص خودش را دارد، یعنی خطر آتش سوزی.

مزایا و معایب:

مزیت اصلی باتری‌های بدون کبالت این است که این ماده فوق‌العاده گران را ندارد که استخراجش هم منافی حقوق بشر است. وزارت انرژی ایالات متحده امیدوار است بتواند تا سال ۲۰۳۰ به استفاده از کبالت در باتری‌های لیتیومی پایان بدهد.

اما دلیلی برای استفاده از کبالت وجود دارد که عمدتاً در مورد کارایی آن است.

به گفته یک متخصص “در حال حاضر یک باتری بدون کبالت قابل دوام وجود دارد و آن لیتیوم آهن فسفات یا LFP است، با نقطه ضعف اصلی چگالی انرژی پایین و دوام کوتاه.”

 

باتری‌های سدیم یون

نحوه عملکرد:

این باتری‌ها شبیه باتری‌های لیتیوم یونی‌اند که در عوض از آب نمک به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند.

نحوه استفاده:

اعتقاد بر این است که این باتری‌ها برای ذخیره انرژی مناسب‌اند.

مزایا و معایب:

با وجود چگالی انرژی کم، باتری‌های یون سدیم فقط می‌توانند تقریباً دو سوم انرژی را که یک باتری لیتیوم یونی با همان اندازه می‌تواند در خود ذخیره کند، تامین کنند. اما به لطف خطر آتش سوزی کم، مقرون به صرفه‌تر و بسیار ایمن‌ترند و در دماهای پایین‌تر عملکردی بهتر از باتری‌های لیتیوم یونی دارند. همچنین با توجه به موادی که در تولید آنها استفاده می‌شود بازیافت‌شان خیلی آسان‌تر است، اما برای استفاده در خودروهای الکتریکی بسیار ناکارآمد هستند.

باتری‌های آهن-هوا

نحوه عملکرد:

باتری‌های آهن-هوا به کمک هوا و با اکسید کردن آهن و تبدیل آن به زنگ، انرژی تولید می‌کنند. در طول فرآیند شارژ، باتری‌ها از طریق اکسیداسیون معکوس دوباره به آهن تبدیل می‌شوند.

نحوه استفاده:

باتری‌های آهن-هوا برای ذخیره انرژی عالی‌اند و تا ۲۵ برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم-یون ذخیره‌سازی می‌کنند. در حال حاضر یک شرکت ذخیره‌سازی انرژی بنام فُرم انرژی، در حال آماده‌سازی تولید باتری‌های آهن-هواست.

 مزایا و معایب:

این باتری‌ها با توجه به فراوانی آهن و هوا در جهان خیلی مقرون به صرفه هستند. چون همچنین ۱۰ برابر ارزان‌ترند و ۱۷ برابر بیشتر عمر می‌کنند.

تنها معایب آن‌ها اندازه بزرگ (تقریباً به اندازه یک ماشین لباسشویی و خشک‌کن) و زمان شارژ آهسته‌شان است که به دلیل فرآیند کُند اکسیداسیون است.

 

باتری‌های مبتنی بر روی

نحوه عملکرد:

باتری‌های مبتنی بر روی مثل باتری‌های لیتیوم یونی با یون‌های روی که از آند باتری به کاتد جریان می‌یابند، کار می‌کنند. این فناوری جدید شامل باتری‌های روی-برم، روی-منگنز دی اکسید، روی-هوا و روی-یون است.

 نحوه استفاده:

باتری‌های مبتنی بر روی می‌توانند به دلیل سرعت کم خود تخلیه‌گی برای ذخیره انرژی خورشیدی استفاده شوند.

 مزایا و معایب:

این باتری‌ها معمولاً قادر به ذخیره انرژی فراوان هستند و علاوه بر این، مواد مورد استفاده در تولید آنها مقرون به صرفه، غیر سمی و به راحتی در دسترس است.

اما قبل از اینکه بتوان آنها را به طور گسترده در موارد بیشتری مورد استفاده قرار داد، محققان هنوز در حال کار برای حل بعضی از مشکلات فنی مربوط به این باتری‌ها، یعنی احتمال اتصال کوتاه آنها هستند.

 

منبع: builtin.com