یادداشت سردبیر: فناوری الکتریکی آینده زمین سبز است و فناوری باتری، پایه و اساس فناوری الکتریکی و کلید محدود کردن توسعه گسترده فناوری الکتریکی است. فناوری باتری رایج فعلی، باتریهای لیتیوم-یونی هستند که چگالی انرژی خوب و راندمان بالایی دارند. با این حال، لیتیوم عنصری نادر با هزینه بالا و منابع محدود است. در عین حال، با افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، چگالی انرژی باتریهای لیتیوم-یونی دیگر کافی نیست. چگونه پاسخ دهیم؟ مایانک جین برخی از فناوریهای باتری را که ممکن است در آینده مورد استفاده قرار گیرند، بررسی کرده است. مقاله اصلی با عنوان: آینده فناوری باتری در مدیوم منتشر شده است.
زمین پر از انرژی است و ما تمام تلاش خود را میکنیم تا این انرژی را جذب و به خوبی از آن استفاده کنیم. اگرچه در گذار به انرژیهای تجدیدپذیر عملکرد بهتری داشتهایم، اما در ذخیره انرژی پیشرفت زیادی نداشتهایم.
در حال حاضر، بالاترین استاندارد فناوری باتری، باتریهای لیتیوم-یونی هستند. به نظر میرسد این باتری بهترین چگالی انرژی، راندمان بالا (حدود ۹۹٪) و طول عمر بالایی دارد.
خب، مشکل چیست؟ با افزایش روزافزون انرژیهای تجدیدپذیری که جذب میکنیم، چگالی انرژی باتریهای لیتیوم-یون دیگر کافی نیست.
از آنجایی که میتوانیم به تولید دستهای باتریها ادامه دهیم، این موضوع چندان مهم به نظر نمیرسد، اما مشکل این است که لیتیوم فلزی نسبتاً کمیاب است، بنابراین هزینه آن کم نیست. اگرچه هزینههای تولید باتری در حال کاهش است، اما نیاز به ذخیرهسازی انرژی نیز به سرعت در حال افزایش است.
ما به نقطهای رسیدهایم که به محض تولید باتری لیتیوم-یون، تأثیر زیادی بر صنعت انرژی خواهد گذاشت.
چگالی انرژی بالاتر سوختهای فسیلی یک واقعیت است و این یک عامل تأثیرگذار بزرگ است که مانع گذار به وابستگی کامل به انرژیهای تجدیدپذیر میشود. ما به باتریهایی نیاز داریم که انرژی بیشتری نسبت به وزن ما منتشر کنند.
نحوه کار باتریهای لیتیوم-یونی
مکانیسم کار باتریهای لیتیومی مشابه باتریهای شیمیایی معمولی AA یا AAA است. آنها دارای پایانههای آند و کاتد و یک الکترولیت در بین آنها هستند. برخلاف باتریهای معمولی، واکنش تخلیه در باتری لیتیوم-یونی برگشتپذیر است، بنابراین میتوان باتری را بارها و بارها شارژ کرد.
کاتد (ترمینال +) از فسفات آهن لیتیوم، آند (ترمینال -) از گرافیت و گرافیت از کربن ساخته شده است. الکتریسیته فقط جریان الکترونها است. این باتریها با حرکت یونهای لیتیوم بین آند و کاتد، الکتریسیته تولید میکنند.
وقتی شارژ میشوند، یونها به سمت آند حرکت میکنند و وقتی تخلیه میشوند، به سمت کاتد میروند.
این حرکت یونها باعث حرکت الکترونها در مدار میشود، بنابراین حرکت یون لیتیوم و حرکت الکترونها به هم مرتبط هستند.
باتری آند سیلیکونی
بسیاری از شرکتهای بزرگ خودروسازی مانند بیامو در حال سرمایهگذاری در توسعه باتریهای آند سیلیکونی هستند. این باتریها مانند باتریهای لیتیوم-یونی معمولی، از آندهای لیتیومی استفاده میکنند، اما به جای آندهای مبتنی بر کربن، از سیلیکون استفاده میکنند.
به عنوان آند، سیلیکون از گرافیت بهتر است زیرا برای نگه داشتن لیتیوم به ۴ اتم کربن نیاز دارد و ۱ اتم سیلیکون میتواند ۴ یون لیتیوم را در خود نگه دارد. این یک ارتقاء بزرگ است... که سیلیکون را ۳ برابر قویتر از گرافیت میکند.
با این وجود، استفاده از لیتیوم هنوز یک شمشیر دولبه است. این ماده هنوز گران است، اما انتقال امکانات تولید به سلولهای سیلیکونی نیز آسانتر است. اگر باتریها کاملاً متفاوت باشند، کارخانه باید کاملاً از نو طراحی شود که باعث میشود جذابیت تغییر کمی کاهش یابد.
آندهای سیلیکونی با فرآوری شن و ماسه برای تولید سیلیکون خالص ساخته میشوند، اما بزرگترین مشکلی که محققان در حال حاضر با آن مواجه هستند این است که آندهای سیلیکونی هنگام استفاده متورم میشوند. این میتواند باعث شود باتری خیلی سریع تخریب شود. همچنین تولید انبوه آند دشوار است.
باتری گرافنی
گرافن نوعی پوسته کربنی است که از همان ماده مداد استفاده میکند، اما اتصال گرافیت به پوستهها زمان زیادی میبرد. گرافن به دلیل عملکرد عالی خود در بسیاری از موارد استفاده مورد ستایش قرار گرفته است و باتریها یکی از آنها هستند.
برخی شرکتها در حال کار بر روی باتریهای گرافنی هستند که میتوانند در عرض چند دقیقه به طور کامل شارژ شوند و ۳۳ برابر سریعتر از باتریهای لیتیوم-یونی تخلیه شوند. این ویژگی برای خودروهای الکتریکی بسیار ارزشمند است.
باتری فومی
در حال حاضر، باتریهای سنتی دوبعدی هستند. آنها یا مانند باتری لیتیومی روی هم انباشته میشوند یا مانند باتریهای قلمی معمولی یا لیتیوم-یونی لوله میشوند.
باتری فومی یک مفهوم جدید است که شامل حرکت بار الکتریکی در فضای سهبعدی میشود.
این ساختار سهبعدی میتواند زمان شارژ را تسریع کرده و چگالی انرژی را افزایش دهد، که اینها از ویژگیهای بسیار مهم باتری هستند. در مقایسه با اکثر باتریهای دیگر، باتریهای فومی هیچ الکترولیت مایع مضری ندارند.
باتریهای فومی به جای الکترولیتهای مایع از الکترولیتهای جامد استفاده میکنند. این الکترولیت نه تنها یونهای لیتیوم را هدایت میکند، بلکه سایر دستگاههای الکترونیکی را نیز عایق میکند.
آندی که بار منفی باتری را نگه میدارد، از مس فوم شده ساخته شده و با ماده فعال مورد نیاز پوشانده شده است.
سپس یک الکترولیت جامد در اطراف آند اعمال میشود.
در نهایت، از نوعی خمیر به نام «خمیر مثبت» برای پر کردن شکافهای داخل باتری استفاده میشود.
باتری اکسید آلومینیوم
این باتریها یکی از بزرگترین چگالیهای انرژی را در بین باتریها دارند. انرژی آنها از باتریهای لیتیوم-یونی فعلی قدرتمندتر و سبکتر است. برخی ادعا میکنند که این باتریها میتوانند 2000 کیلومتر را برای وسایل نقلیه الکتریکی فراهم کنند. این مفهوم چیست؟ برای مرجع، حداکثر برد تسلا حدود 600 کیلومتر است.
مشکل این باتریها این است که نمیتوان آنها را شارژ کرد. آنها هیدروکسید آلومینیوم تولید میکنند و از طریق واکنش آلومینیوم و اکسیژن در یک الکترولیت مبتنی بر آب، انرژی آزاد میکنند. استفاده از باتریها، آلومینیوم را به عنوان آند مصرف میکند.
باتری سدیمی
در حال حاضر، دانشمندان ژاپنی در حال کار بر روی ساخت باتریهایی هستند که به جای لیتیوم از سدیم استفاده میکنند.
این امر میتواند مخرب باشد، زیرا باتریهای سدیمی از نظر تئوری ۷ برابر کارآمدتر از باتریهای لیتیومی هستند. یکی دیگر از مزایای بزرگ این است که سدیم در مقایسه با لیتیوم که یک عنصر کمیاب است، ششمین عنصر غنی در ذخایر زمین است.
زمان ارسال: دسامبر-02-2019