با توجه به اینکه فنآوری فعلی باتری‌های لیتیوم – یون به زودی به محدودیت خود خواهد رسید و همچنین رشد روز افزون تقاضا برای ذخیره انرژی برق و افزایش سرعت شارژ مجدد، محققان را بر آن داشته تا درصدد جایگزینی باتری‌هایی با فنآوری پیشرفته بجای باتری‌های فعلی باشند. در این مقاله نگاهی گذرا به وضعیت فناوری های جدید در ساخت انواع باتری برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی خواهیم داشت.

 

آخرین فنآوری‌های مطرح در باتری‌ها به شرح ذیل هستند:

باتری‌های آلومینیومی

باتری آلومینیوم – یون جدید با کارآیی بالا اولین کاربرد این فلز در باتری‌هایی است که عمر طولانی داشته و در زمان بسیار کوتاهی شارژ می‌شوند.

باتری‌های بر پایه نانو تیوب

با ساخت الکترودهای نانو تیوب محققان توانسته‌اند سرعت شارژ این باتری‌ها را به میزان چشمگیری افزایش دهند.

باتری‌های مبتنی بر گوگرد

در زمینه افزایش دوام باتری‌ها با حجم مشابه همواره تحقیقات در جریان بوده و از مواد شیمیایی مختلفی در این زمینه استفاده شده است. یکی از امیدوارکننده‌ترین نوع باتری‌ها در این میان باتری‌های مبتنی بر گوگرد هستند.

باتری‌های فلز-هوا

باتری‌های فلز – هوا در واقع کاتد باتری‌های لیتیوم – یون متداول را که اغلب گرافیت است با اکسیژن موجود در هوا جایگزین می‌کنند. نتیجه این کار طبیعتاً کاهش وزن باتری و داشتن یک کاتد بدون هزینه است که بطور دائم تعویض و تازه می‌شود.

باتری‌های حالت جامد

در باتری‌های حالت جامد الکترولیت مایع که در اغلب سایر باتری‌ها وظیفه جابجایی یونها را بین الکترودها دارد حذف شده است. به این ترتیب باتری‌های حالت جامد دانسیته انرژی بسیار بالاتری دارند.

سوپر کاپاسیتورها یا (ابر خازن‌ها)

خازن‌ها می‌توانند ظرف ثانیه شارژ شوند و در آنی تخلیه گردند. یک ابر خازن هم به همین شکل کار می‌کند با این تفاوت که در چند ثانیه شارژ شده ولی انرژی آن به آرامی همانند یک باتری تخلیه

تشریح آخرین فنآوری‌ها

باتری‌های آلومینیومی

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد باتری‌های آلومینیومی منشا انقلاب جدیدی در فنآوری موبایل خواهند بود. آخرین تحقیقات در دانشگاه استنفورد بعد از دهها سال وعده بکارگیری باتری‌های آلومینیومی در تجهیزات موبایل را می‌دهد. این باتری‌ها می‌توانند در کمتر از یک دقیقه شارژ شوند.

باتری آلومینیوم – یون جدید با کارآیی بالا اولین کاربرد این فلز در باتری‌هایی است که عمر طولانی داشته و در زمان بسیار کوتاهی شارژ می‌شوند. باتری آلومینیومی جدید دانشگاه استندفورد می‌تواند تا 7500 مرتبه شارژ شود. باتری‌های لیتیوم – یون متداول موبایل و لپ‌تاپ امروزی معمولاً برای 1000 مرتبه شارژ عمر می‌کنند.

 

 

البته باتری‌های آلومینیومی جدید تا تجاری شدن فاصله دارند و یکی از این دلایل ولتاژ پایین‌تر آنها نسبت به باتری‌های لیتیوم – یون است. (نصف ولتاژ باتری لیتیوم – یون)

به نظر می‌رسد ارتقا مواد بکار رفته در کاتد بتواند ولتاژ و دانسیته انرژی را در این باتری‌ها بهبود دهد صرفنظر از این دو مسئله باتری آلومینیومی همه ویژگیهای مورد انتظار از باتری از جمله ارزان بودن الکترودها، ایمنی بالا، شارژ سریع، انعطاف‌پذیری و طول عمر زیاد را تامین می‌کند.

مزایا: ارزان بودن، انعطاف‌پذیری، سرعت شارژ بالا، طول عمر شارژ بالا (تعداد دفعات قابل شارژ)، ایمن‌تر بودن و از همه مهمتر دوست‌دار محیط زیست

معایب: ولتاژ پایین‌تر آنها نسبت به باتری‌های لیتیوم – یون فعلی (نصف ولتاژ باتری لیتیوم – یون)

      باتری‌های بر پایه نانو تیوب

فنآوری فعلی باتری‌های لیتیوم – یون به زودی به محدودیت خود خواهد رسید. تغییر شیمیایی باتری شاید بتواند راهی برای ارتقا این نوع باتری باشد اما بی‌تردید تغییر در ساختار الکترودها با استفاده از فنآوری نانو روح جدیدی در باتری‌های لیتیومی خواهد دمید.

با ساخت الکترودهای نانو تیوب محققان توانسته‌اند سرعت شارژ این باتری‌ها را به میزان چشمگیری افزایش دهند. بطوریکه باتری‌های ساخته شده بر پایه این فنآوری در مدت 2 دقیقه به 70% ظرفیت کامل شارژ خود می‌رسند.

برخی محققان از ماده سیلیکون بجای گرافیت در الکترودها استفاده کرده‌اند؛ برخی دیگر همچون محققان دانشگاه تکنولوژی نانیانگ سنگاپور استفاده از نانو تیوب‌های دی اکسید تیتانیوم را به نام خود ثبت کرده‌اند که گواهی توسعه و بهره‌برداری تجاری را نیز اخذ کرده و ظرف دو سال آینده در دسترس خواهد بود.

مزایا: سرعت شارژ بالا، طول عمر شارژ بالا (تعداد دفعات قابل شارژ)

معایب: دانسیته انرژی برابر با باتری‌های موجود در بازار

باتری‌های مبتنی بر گوگرد

در زمینه افزایش دوام باتری‌ها با حجم مشابه همواره تحقیقات در جریان بوده و از مواد شیمیایی مختلفی در این زمینه استفاده شده است. یکی از امیدوارکننده‌ترین نوع باتری‌ها در این میان باتری‌های مبتنی بر گوگرد هستند. باتری‌های لیتیوم – سولفور می‌توانند در وزن مشابه‌، تا 5 برابر نسبت به باتری‌های لیتیوم – یون فعلی انرژی در خود ذخیره کنند. پیش‌بینی می‌شود زمانی این باتری‌ها تجاری می‌شوند که دانسیته انرژی آنها حدود 2 برابر باتری‌های لیتیوم – یون فعلی باشد. این به معنی دوام بیشتر در تجهیزات الکتریکی است یا به عبارتی عمر دو برابر.

 این فنآوری حدود 20 سال است که در حال توسعه و تحقیق است و حداقل یک شرکت خودروسازی در نظر دارد تا از این باتری‌ها در سال 2016 در خودرو برقی خود استفاده نماید. اما استفاده از این نوع باتری‌ها در تجهیزات موبایل سالها بعدتر امکان‌پذیر خواهد شد.

مزایا: حداقل عمر دو برابر باتری‌های لیتیومی فعلی

معایب: عمر کمتر از نظر سیکل شارژ، عدم ثبات و فرار بودن شیمیایی، مدت زمان شارژ مشابه با باتری‌های فعلی لیتیوم – یون

باتری‌های فلز-هوا

باتری‌های فلز – هوا در واقع کاتد باتری‌های لیتیوم – یون متداول را که اغلب گرافیت است با اکسیژن موجود در هوا جایگزین می‌کنند. نتیجه این کار طبیعتاً کاهش وزن باتری و داشتن یک کاتد بدون هزینه است که بطور دائم تعویض و تازه می‌شود.

کاهش وزن به مفهوم دیگر یعنی دانسیته انرژی بالاتر. برخی محققان این تراکم انرژی را با سوختهای نفتی مقایسه کرده‌اند. این یعنی عمر طولانی‌تر و قابلیت استفاده در خودروهای برقی. این فنآوری توسط شرکت Tesla برای استفاده در خودروهای برقی به ثبت رسیده است. یک خودرو سیتروئن C1 با استفاده از این فنآوری توانست با یک شارژ 1800 کیلومتر پیمایش داشته باشد.

 

لیکن مشکلاتی از قبیل تخریب خودبخودی، مشکلات شارژ دوباره و عمر کوتاه از نظر سیکل شارژ مانع بزرگی در راه تجاری‌سازی این نوع باتری بوده است.

مزایا: دانسیته انرژی بسیار بسیار بالا

معایب: به سختی شارژ می‌شوند، عمر مناسبی از نظر تعداد سیکل شارژ ندارند.

باتری‌های حالت جامد

در باتری‌های حالت جامد الکترولیت مایع که در اغلب سایر باتری‌ها وظیفه جابجایی یونها را بین الکترودها دارد حذف شده است. به این ترتیب باتری‌های حالت جامد دانسیته انرژی بسیار بالاتری دارند.

 

 

شرکت باتری‌سازی Sakti3 که اخیراً قرارداد همکاری تجاری با شرکت بریتانیایی Dyson امضا کرده؛ ادعا دارد باتری‌های آنها می‌تواند دو برابر باتری‌های لیتیوم – یون متداول انرژی ذخیره کند.

مزایا: عمر دو برابر باتری در ابعاد مشابه با لیتیوم – یون، ایمن‌تر، قابلیت ساخت در شکلها و ابعاد متفاوت، دوستدار محیط زیست.

معایب: معایب چندانی گزارش نشده است.

 

سوپر کاپاسیتورها یا (ابر خازن‌ها)

خازن‌ها تقریباً در همه انواع فنآوری بکار می‌روند اما معمولاً در جایی بکار می‌روند که لازم است مقدار زیادی الکتریسیته در زمان بسیار اندک بکار گرفته شود. مانند لامپ فلاش دوربین یا ساب ووفر پخش صوت یک خودرو.

خازن‌ها می‌توانند ظرف ثانیه شارژ شوند و در آنی تخلیه گردند. یک ابر خازن هم به همین شکل کار می‌کند با این تفاوت که در چند ثانیه شارژ شده ولی انرژی آن به آرامی همانند یک باتری تخلیه می‌شود.

تحقیقات اخیر مبنی بر استفاده از گرافن وعده ابر خازن‌هایی را می‌دهد که می‌توانند ظرف 16 ثانیه شارژ شوند و می‌توانند عمری بیش از 10 هزار مرتبه شارژ و تخلیه داشته باشند. اما بهترین ابر خازن‌ها نیز می‌توانند دانسیته انرژی معادل باتری‌های لیتیوم – یون متداول داشته باشند.

 

مزایا: شارژ تقریباً آنی، طول عمر بسیار طولانی از نظر تعداد سیکل شارژ، قابلیت بهره‌گیری بعنوان منبع انرژی در خودروهای برقی

معایب: دانسیته پایین به معنی عمر کوتاه شارژ باتری

جمع بندی

باتری های فلز- هوا من جمله "لیتیم-هوا"، باتری های مبتنی بر گوگرد من جمله "لیتیم-سولفور" و "منیزیوم-سولفور" در دسته باتری های با چگالی انرژی بالا محسوب می شوند؛ محققان اروپایی و سایر محققان در سراسر دنیا در حال تحقیق و توسعه فناوری باتری در دسته مذکور می باشند.

 

 

 

اعظم اردستانی

رئیس امور بهبود و توسعه سوخت های نوین