با توجه به اینکه فنآوري فعلي باتري‌هاي ليتيوم – يون به زودي به محدوديت خود خواهد رسيد و همچنين رشد روز افزون تقاضا براي ذخيره انرژي برق و افزايش سرعت شارژ مجدد، محققان را بر آن داشته تا درصدد جايگزيني باتري‌هايي با فنآوري پيشرفته بجاي باتري‌هاي فعلي باشند. در این مقاله نگاهی گذرا به وضعیت فناوری های جدید در ساخت انواع باتری برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی خواهیم داشت.
آخرين فنآوري‌هاي مطرح در باتري‌ها به شرح ذيل هستند:
باتري‌هاي آلومينيومي
باتري آلومينيوم – يون جديد با كارآيي بالا اولين كاربرد اين فلز در باتري‌هايي است كه عمر طولاني داشته و در زمان بسيار كوتاهي شارژ مي‌شوند.
باتري‌هاي بر پايه نانو تيوب
با ساخت الكترودهاي نانو تيوب محققان توانسته‌اند سرعت شارژ اين باتري‌ها را به ميزان چشمگيري افزايش دهند.
باتري‌هاي مبتني بر گوگرد
در زمينه افزايش دوام باتري‌ها با حجم مشابه همواره تحقيقات در جريان بوده و از مواد شيميايي مختلفي در اين زمينه استفاده شده است. يكي از اميدواركننده‌ترين نوع باتري‌ها در اين ميان باتري‌هاي مبتني بر گوگرد هستند.
باتري‌هاي فلز-هوا
باتري‌هاي فلز – هوا در واقع كاتد باتري‌هاي ليتيوم – يون متداول را كه اغلب گرافيت است با اكسيژن موجود در هوا جايگزين مي‌كنند. نتيجه اين كار طبيعتاً كاهش وزن باتري و داشتن يك كاتد بدون هزينه است كه بطور دائم تعويض و تازه مي‌شود.
باتري‌هاي حالت جامد
در باتري‌هاي حالت جامد الكتروليت مايع كه در اغلب ساير باتري‌ها وظيفه جابجايي يونها را بين الكترودها دارد حذف شده است. به اين ترتيب باتري‌هاي حالت جامد دانسيته انرژي بسيار بالاتري دارند.
سوپر كاپاسيتورها يا (ابر خازن‌ها)
خازن‌ها مي‌توانند ظرف ثانيه شارژ شوند و در آني تخليه گردند. يك ابر خازن هم به همين شكل كار مي‌كند با اين تفاوت كه در چند ثانيه شارژ شده ولي انرژي آن به آرامي همانند يك باتري تخليه
تشریح آخرين فنآوري‌ها
باتري‌هاي آلومينيومي
تحقيقات اخير نشان مي‌دهد باتري‌هاي آلومينيومي منشا انقلاب جديدي در فنآوري موبايل خواهند بود. آخرين تحقيقات در دانشگاه استنفورد بعد از دهها سال وعده بكارگيري باتري‌هاي آلومينيومي در تجهيزات موبايل را مي‌دهد. اين باتري‌ها مي‌توانند در كمتر از يك دقيقه شارژ شوند.
باتري آلومينيوم – يون جديد با كارآيي بالا اولين كاربرد اين فلز در باتري‌هايي است كه عمر طولاني داشته و در زمان بسيار كوتاهي شارژ مي‌شوند. باتري آلومينيومي جديد دانشگاه استندفورد مي‌تواند تا 7500 مرتبه شارژ شود. باتري‌هاي ليتيوم – يون متداول موبايل و لپ‌تاپ امروزي معمولاً براي 1000 مرتبه شارژ عمر مي‌كنند.
البته باتري‌هاي آلومينيومي جديد تا تجاري شدن فاصله دارند و يكي از اين دلايل ولتاژ پايين‌تر آنها نسبت به باتري‌هاي ليتيوم – يون است. (نصف ولتاژ باتري ليتيوم – يون)
به نظر مي‌رسد ارتقا مواد بكار رفته در كاتد بتواند ولتاژ و دانسيته انرژي را در اين باتري‌ها بهبود دهد صرفنظر از اين دو مسئله باتري آلومينيومي همه ويژگيهاي مورد انتظار از باتري از جمله ارزان بودن الكترودها، ايمني بالا، شارژ سريع، انعطاف‌پذيري و طول عمر زياد را تامين مي‌كند.
مزايا: ارزان بودن، انعطاف‌پذيري، سرعت شارژ بالا، طول عمر شارژ بالا (تعداد دفعات قابل شارژ)، ايمن‌تر بودن و از همه مهمتر دوستدار محيط زيست
معايب: ولتاژ پايين‌تر آنها نسبت به باتري‌هاي ليتيوم – يون فعلي (نصف ولتاژ باتري ليتيوم – يون)
باتري‌هاي بر پايه نانو تيوب
فنآوري فعلي باتري‌هاي ليتيوم – يون به زودي به محدوديت خود خواهد رسيد. تغيير شيميايي باتري شايد بتواند راهي براي ارتقا اين نوع باتري باشد اما بي‌ترديد تغيير در ساختار الكترودها با استفاده از فنآوري نانو روح جديدي در باتري‌هاي ليتيومي خواهد دميد.
با ساخت الكترودهاي نانو تيوب محققان توانسته‌اند سرعت شارژ اين باتري‌ها را به ميزان چشمگيري افزايش دهند. بطوريكه باتري‌هاي ساخته شده بر پايه اين فنآوري در مدت 2 دقيقه به 70% ظرفيت كامل شارژ خود مي‌رسند.
برخي محققان از ماده سيليكون بجاي گرافيت در الكترودها استفاده كرده‌اند؛ برخي ديگر همچون محققان دانشگاه تكنولوژي نانيانگ سنگاپور استفاده از نانو تيوب‌هاي دي اكسيد تيتانيوم را به نام خود ثبت كرده‌اند كه گواهي توسعه و بهره‌برداري تجاري را نيز اخذ كرده و ظرف دو سال آينده در دسترس خواهد بود.
مزايا: سرعت شارژ بالا، طول عمر شارژ بالا (تعداد دفعات قابل شارژ)
معايب: دانسيته انرژي برابر با باتري‌هاي موجود در بازار
باتري‌هاي مبتني بر گوگرد
در زمينه افزايش دوام باتري‌ها با حجم مشابه همواره تحقيقات در جريان بوده و از مواد شيميايي مختلفي در اين زمينه استفاده شده است. يكي از اميدواركننده‌ترين نوع باتري‌ها در اين ميان باتري‌هاي مبتني بر گوگرد هستند. باتري‌هاي ليتيوم – سولفور مي‌توانند در وزن مشابه، تا 5 برابر نسبت به باتري‌هاي ليتيوم – يون فعلي انرژي در خود ذخيره كنند. پيش‌بيني مي‌شود زماني اين باتري‌ها تجاري مي‌شوند كه دانسيته انرژي آنها حدود 2 برابر باتري‌هاي ليتيوم – يون فعلي باشد. اين به معني دوام بيشتر در تجهيزات الكتريكي است يا به عبارتي عمر دو برابر.
اين فنآوري حدود 20 سال است كه در حال توسعه و تحقيق است و حداقل يك شركت خودروسازي در نظر دارد تا از اين باتري‌ها در سال 2016 در خودرو برقي خود استفاده نمايد. اما استفاده از اين نوع باتري‌ها در تجهيزات موبايل سالها بعدتر امكان‌پذير خواهد شد.
مزايا: حداقل عمر دو برابر باتري‌هاي ليتيومي فعلي
معايب: عمر كمتر از نظر سيكل شارژ، عدم ثبات و فرار بودن شيميايي، مدت زمان شارژ مشابه با باتري‌هاي فعلي ليتيوم – يون
باتري‌هاي فلز-هوا
باتري‌هاي فلز – هوا در واقع كاتد باتري‌هاي ليتيوم – يون متداول را كه اغلب گرافيت است با اكسيژن موجود در هوا جايگزين مي‌كنند. نتيجه اين كار طبيعتاً كاهش وزن باتري و داشتن يك كاتد بدون هزينه است كه بطور دائم تعويض و تازه مي‌شود.
كاهش وزن به مفهوم ديگر يعني دانسيته انرژي بالاتر. برخي محققان اين تراكم انرژي را با سوختهاي نفتي مقايسه كرده‌اند. اين يعني عمر طولاني‌تر و قابليت استفاده در خودروهاي برقي. اين فنآوري توسط شركت Tesla براي استفاده در خودروهاي برقي به ثبت رسيده است. يك خودرو سيتروئن C1 با استفاده از اين فنآوري توانست با يك شارژ 1800 كيلومتر پيمايش داشته باشد.
ليكن مشكلاتي از قبيل تخريب خودبخودي، مشكلات شارژ دوباره و عمر كوتاه از نظر سيكل شارژ مانع بزرگي در راه تجاري‌سازي اين نوع باتري بوده است.
مزايا: دانسيته انرژي بسيار بسيار بالا
معايب: به سختي شارژ مي‌شوند، عمر مناسبي از نظر تعداد سيكل شارژ ندارند.
باتري‌هاي حالت جامد
در باتري‌هاي حالت جامد الكتروليت مايع كه در اغلب ساير باتري‌ها وظيفه جابجايي يونها را بين الكترودها دارد حذف شده است. به اين ترتيب باتري‌هاي حالت جامد دانسيته انرژي بسيار بالاتري دارند.
شركت باتري‌سازي Sakti3 كه اخيراً قرارداد همكاري تجاري با شركت بريتانيايي Dyson امضا كرده؛ ادعا دارد باتري‌هاي آنها مي‌تواند دو برابر باتري‌هاي ليتيوم – يون متداول انرژي ذخيره كند.
مزايا: عمر دو برابر باتري در ابعاد مشابه با ليتيوم – يون، ايمن‌تر، قابليت ساخت در شكلها و ابعاد متفاوت، دوستدار محيط زيست.
معايب: معايب چنداني گزارش نشده است.
سوپر كاپاسيتورها يا (ابر خازن‌ها)
خازن‌ها تقريباً در همه انواع فنآوري بكار مي‌روند اما معمولاً در جايي بكار مي‌روند كه لازم است مقدار زيادي الكتريسيته در زمان بسيار اندك بكار گرفته شود. مانند لامپ فلاش دوربين يا ساب ووفر پخش صوت يك خودرو.
خازن‌ها مي‌توانند ظرف ثانيه شارژ شوند و در آني تخليه گردند. يك ابر خازن هم به همين شكل كار مي‌كند با اين تفاوت كه در چند ثانيه شارژ شده ولي انرژي آن به آرامي همانند يك باتري تخليه مي‌شود.
تحقيقات اخير مبني بر استفاده از گرافن وعده ابر خازن‌هايي را مي‌دهد كه مي‌توانند ظرف 16 ثانيه شارژ شوند و مي‌توانند عمري بيش از 10 هزار مرتبه شارژ و تخليه داشته باشند. اما بهترين ابر خازن‌ها نيز مي‌توانند دانسيته انرژي معادل باتري‌هاي ليتيوم – يون متداول داشته باشند.
مزايا: شارژ تقريباً آني، طول عمر بسيار طولاني از نظر تعداد سيكل شارژ، قابليت بهره‌گيري بعنوان منبع انرژي در خودروهاي برقي
معايب: دانسيته پايين به معني عمر كوتاه شارژ باتري
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
