باتری های حالت جامد
نوشته شده در تاریخ 1400/5/6 ساعت 4:17 بامداد
Image Not Loaded

چکيده:

مقاله حاضر به بررسي عملکرد، ساخت و توليد باتري هاي حالت جامد مي پردازد. خودروهاي برقي موجود در بازار از باتري­ هاي ليتيوم يوني که از الکتروليت مايع تشکيل شده اند، استفاده مي­کنند. وجود الکتروليت مايع در باتري­ هاي ليتيوم­ يوني داراي معايبي از جمله قابليت اشتعال و گرمازا بودن آن و نيز لزوم حضور سيستم خنک کننده و در نتيجه اشغال فضاي زياد مي باشد. براي رفع مشکلات موجود در باتري هاي ليتيوم يوني،  باتري هاي حالت جامد اختراع شدند. تفاوت باتري هاي حالت جامد و ليتيوم يوني در نوع الکتروليت آن هاست. عملکرد باتري هاي حالت جامد کاملا مشابه با باتري هاي ليتيوم يوني است و داراي قطب مغناطيسي مثبت و منفي هستند و همچنين داراي مزايايي از جمله تراکم انرژي، راندمان و عمر بالا هستند. اما اين باتري ها معايبي دارند که از جمله مي توان به بالا بودن هزينه توليد آن و نيز بهينه نبودن ترکيب شيميايي موجود اشاره کرد. موارد مذکور باعث شده اند که اجازه توليد و استفاده انبوه برايشان وجود نداشته باشد، اما تقريبا همه خودروسازها و پژوهشگران بر اين باورند که نسل آينده خودروهاي الکتريکي بر پايه باتري هاي حالت جامد خواهند بود.

 

مقدمه

امروزه با آن که خودروهاي الکتريکي (برقي) در بخش ­هاي مختلف اعم از مسافت پيموده شده، عملکرد و مدت زمان شارژ به طور مداوم در حال بهبود و ارتقا هستند، اما هنوز فضاي زيادي براي پيشرفت در اين زمينه وجود دارد. اين در حالي است که فقط تعداد خودروهاي هيبريدي در حال افزايش است، وسايل­ نقليه تمام ­برقي هنوز به طور کامل آماده سبقت­گيري از خودروهاي موتور احتراق داخلي نيستند. مي­ توان دليل اين موضوع را اينگونه بيان نمود که اکثر خودروهاي الکتريکي و هيبريدي به موتورهاي برقي مجهز به باتري­ هاي ليتيوم­ يوني متکي هستند و در واقع از يک فناوري مشابهي که در توليد انرژي (توان) براي تلفن­ هاي هوشمند و لپ تاپ به کارگرفته شده است، استفاده مي­ کنند  .

 

باتري ليتيوم يوني و معايب آن

اساساً باتري­ هاي ليتيوم يوني در خودروهاي الکتريکي به خوبي کار مي ­کنند، اما استفاده از الکتروليت مايع در باتري­ هاي ليتيوم­ يوني با معايبي همراه است. براي مثال، ظرفيت و توانايي تحويل اوج بار(حداکثر بار) با گذشت زمان از بين مي­ رود و همچنين اين باتري ­ها گرماي زيادي را از خود توليد مي­ کنند، که در نتيجه نياز به طراحي يک سيستم خنک کننده بسيار قوي مي ­باشد. ديگر عيب بزرگ باتري هاي ليتيوم يوني، قابليت اشتعال و انفجار آن است. به عبارت ديگر به لطف وجود مايع قابل اشتعال (الکتروليت) در اين باتري ­ها، در صورت آسيب ديدگي در حوادث و تصادفات رانندگي مي­ توانند دچار آتش سوزي شوند و يا حتي منفجر شونداما راه حل­ هاي بهتري وجود دارد. طي چند سال اخير، خودروسازان پيشرفت بَعدي وسايل نقليه برقي را در حوزه باتري­ هاي حالت جامد عنوان کرده ­اند. معمولا باتري­­ هاي حالت جامد در مقايسه با باتري­ هاي ليتيوم ­يوني داراي عملکرد فوق العاده بالاتري هستند. بنابراين، چه چيزي باعث مي­ شود فناوري باتري حالت جامد براي خودروهاي برقي بسيار مناسب باشد؟ طرز کار آن چگونه است؟

 

باتري حالت جامد چيست؟

به بيان ساده تر، برخلاف باتري­ هاي ليتيوم يوني که از مايعات و يا ژل ­هاي پليمري استفاده مي­ کنند، باتري ­هاي حالت جامد از يک نوع الکتروليت جامد که مي­ تواند به شکل سراميک، شيشه، سولفيت يا پليمرهاي جامد باشد، بهره مي­ گيرد. جدا از الکتروليت جامد، باتري­ هاي حالت جامد بسيار شبيه به باتري­ هاي ليتيوم­ يوني عمل مي­ کنند، به اين ترتيب که آن­ ها نيز داراي قطب­ هاي مغناطيسي مثبت و منفي (آندي وکاتدي) هستند که توسط يک الکتروليت از يکديگر جدا شده و اجازه مي­ دهد يون­ هاي شارژ شده از آن عبور کنند. شکل زير نمونه هايي از باتري هاي حالت جامد ساخته شده در ابعاد مختلف و موجود در بازار را نمايش مي ­دهد.

 

 

باتري حالت جامد چگونه کار مي کند؟

اگر صادقانه بخواهيم بگوييم، به همان شيوه باتري­هاي معمولي عمل مي­ کنند. جريان يون­ ها باعث ايجاد يک واکنش شيميايي بين مواد باتري به نام ردوکس مي­ شود که در هنگام تخليه انرژي (دِشارژ)، اُکسيداسيون در آند (قطب مثبت) رخ مي ­دهد تا ترکيباتي با الکترون­ هاي آزاد ايجاد کند، که انرژي الکتريکي را تحويل مي ­دهد و با کاهشي که در کاتد (قطب منفي) ايجاد مي­ گردد، ترکيبات الکترون حاصل شود و در نتيجه انرژي را ذخيره مي­ کند. هنگامي که يک باتري شارژ مي شود، روند کار معکوس مي شود.

باتري ­هاي حالت جامد، با عملکردي بسيار مشابه با باتري­ هاي ليتيوم­ يوني رفتار مي­ کنند، بطوريکه هنگام تحويل انرژي (موسوم به تخليه بار)، يون ­هايي که داراي بار الکتريکي مثبت هستند (يون ­هايي که الکترون از دست داده اند) از طريق الکتروليت از سمت قطب مغناطيسي مثبت (آند) به طرف قطب مغناطيسي منفي (کاتد) حرکت مي­کنند. اين حرکت منجر به ايجاد بار مثبت در کاتد مي­ شود که الکترون­ ها را از آند جذب مي­کند. اما از آنجا که الکترون ها نمي ­توانند از طريق الکتروليت حرکت کنند، همانند موتورهاي الکتريکي بايد يک مدار را طي کنند و به اين ترتيب انرژي را به هر آنچه که به آن متصل هستند، انتقال ­دهند. در حين شارژ، معکوس اين اتفاق رخ مي­ دهد و به عبارت ديگر يون­ هايي که به سمت قطب مثبت جريان مي ­يابند، شارژ مي­شوند و همچنين الکترون ­ها از قطب منفي به داخل يک مدار منتقل مي­ شوند. هنگامي که ديگر يون­ ها به قطب منفي نرسند، اين بدان معناست که باتري کاملاً شارژ شده است. باتري­ هاي حالت جامد مدت مديدي است که در اطرافمان موجود مي ­باشند اما فقط براي دستگاه ­هاي الکترونيکي کوچک مانند برچسب­ هاي RFID  و دستگاه­هاي ضربان ساز استفاده مي­ شوند و در حالت فعلي آن­ها قابل شارژ نيستند.

 

باتري حالت جامد، بزرگترين اتفاق در نسل آينده 

به لطف الکتروليت جامد که داراي يک حجم کوچکي است، باتري­ هاي حالت جامد مي ­توانند در اندازه ه­ا­ي مشابه با باتري­ هاي ليتيوم يوني، حدود دو تا ده برابر نسبت به آن­ها تراکم انرژي (چگالي انرژي) ارائه ­دهند. اين بدان معناست که باتري­هاي قدرتمندتر، فشرده­ تر (کوچک­تر و بدون فضاي اضافي) و در عين حال بدون اُفت توان را در اختيار داريم که اين موضوع باعث مي­ شود خودروهاي برقي قدرتمند تر با بُرد بلند­ تر، حجم کمتر و وزن سبک­تري داشته باشيم. همچنين انتظار مي­ رود که آن ها سريع ­تر شارژ شوند .راندمان و تراکم انرژي بهتر به اين معناست که باتري­هاي حالت جامد برخلاف باتري­ هاي ليتيوم ­يوني نيازي به دستگاه خنک ­کننده و کنترل قطعات ندارند که اين موضوع خود باعث ايجاد فضا بيشتري براي شاسي و نيز کاهش در وزن خودرو مي­ شود. جاي تعجب ندارد که امروزه باتري ­هاي حالت جامد مورد استقبال خودروسازان قرار گرفته است. شرکت خودروسازي بنتلي اين فناوري را روش اصلي خود در جهت توليد انرژي الکتريکي قرار داده است.

ايمني يکي ديگر از مزاياي استفاده از باتري­ هاي حالت جامد است. واکنش ­هاي گرمازا در باتري­ هاي ليتيوم ­يوني مي­ تواند باعث داغ شدن، تورم (انبساط) و پارگي بالقوه در آن شود، که درنهايت سبب مي­ شود الکتروليت مايع که قابل اشتعال و خطرناک مي ­باشد، به بيرون پاشيده شود و در برخي موارد باعث انفجارهاي جزئي شود. وجود الکتروليت جامد به طور موثر مي­تواند در عبور از اين مشکل، راه­گشا باشد.

و در نهايت، باتري­هاي حالت جامد مي­توانند در مقابل چرخه ­­ي تخليه شارژ و بارگيري شارژ، مقاومت (تحمل) بيشتري نسبت به باتري­ هاي ليتيوم يوني از خود نشان دهند، زيرا آن­ها ديگر لازم نيست خوردگي در قطب مغناطيسي (خوردگي ناشي از مواد شيميايي موجود در الکتروليت مايع) و نيز ايجاد لايه ­هاي جامد که باعث کاهش عمر باتري مي­ شوند را تحمل کنند. باتري­هاي حالت جامد مي­توانند تا هفت برابر بيشتر از باتري­ هاي ليتيوم­ يوني شارژ شوند (ظرفيت شارژ بالايي دارند)، و اين درحاليست که طول عمر بالقوه آن­ ها به مدت ده سال است درصورتي که انتظار مي­رود يک باتري ليتيوم ­يوني به طور مؤثر دو سال دوام بياورد.

 

معايب باتري حالت جامد 

شايد تعجب کنيد که چرا با توجه به اينکه به نظر مي ­رسد باتري ­هاي حالت جامد علاج مشکلات باتري­ هاي ليتيوم يوني هستند، اما استفاده از اين باتري­ ها صورت نمي­ گيرد و رايج نيست. اما چالش باتري ­هاي حالت جامد اين است که توليد آن­ها در مقياس بالا، بسيار دشوار است آن­ ها در حال حاضر بسيار گران هستند تا به استفاده تجاري برسند. در نتيجه هنوز کارهاي زيادي بايد انجام شود تا باتري هاي حالت جامد براي استفاده در بازار و نيز توليد انبوه بخصوص در وسايل نقليه برقي آماده شوند.

همچنين در حال حاضر به جهت تأمين انرژي کافي براي موتور خودروي الکتريکي، هنوز هم نياز به يافتن يک ترکيب اتمي و شيميايي مناسب (مطلوب) که داراي هدايت يوني مناسب باشد، براي الکتروليت جامد وجود دارد. از اين رو هنوز نمي ­توانند خودشان را در يک ابزار مصرفي در دنياي واقعي اثبات کنند، چه برسد به آن­که در يک خودروي الکتريکي بکار گرفته شوند. دستيابي به يک الکتروليت جامد مطلوب از اهميت ويژه­اي برخوردار است. ماده­اي که به قطب منفي ليتيوم (آند) اجازه مي­ دهد تا يون ­هاي ليتيوم بيشتري توليد کند و از اين طريق انرژي بيشتري به دست آورد.

 

آينده باتري هاي حالت جامد

با وجود اين چالش ­ها، جذابيت باتري­ هاي حالت جامد کاملاً مشهود است، بطوريکه شرکت­ هاي خودروسازي تويوتا، هوندا و نيسان با يکديگر همکاري کردند تا مجمع Libtec را براي توليد باتري ­هاي حالت جامد ايجاد کنند، با اين اوصاف که قرار است يک خودرو مجهز به باتري حالت جامد در المپيک توکيو رونمايي شود. مؤسسات دانشگاهي، سازندگان (توليدکنندگان) باتري و متخصصان مواد در حال بررسي چگونگي تبديل باتري­ هاي حالت جامد به منابع انرژي نسل بعدي براي استفاده انبوه هستند.

 در باتري­هاي حالت جامد کمبود نيرو و علاقه وجود ندارد .با اين حال، تويوتا تا اواسط اين دهه انتظار نمي­رود توليد انبوه باتري­ هاي حالت جامد را مديريت کند و ساير سازندگان خودرو مانند فولکس واگن حداقل تا سال  2025 ميلادي انتظار ندارند باتري ­هايي با حالت جامد آماده براي استفاده در خودروهايشان داشته باشند. IBM و دايملر براي درک بهتر فناوري باتري با يکديگر همکاري مي­ کنند. مدير تحقيقات برنامه­ هاي کاربردي در IBM مي­ گويد: براي ايجاد (ساخت يا توليد) باتري­هاي آينده بايد اساساً يک ساختار شيميايي (فرمول شيميايي) متفاوت پيدا کنيم. محاسبات کوانتومي مي­تواند به ما کمک کند تا به طور موثر در پيشبرد و پيشرفت واکنش­ هاي شيميايي باتري ­ها با يکديگر همکاري داشته باشيم و بتوانيم خصوصيات و فوايد اين نوع باتري ­ها را  به اطلاع عموم مردم برسانيم.

با توجه به پيشرفت در باتري هاي ليتيوم­ يوني و مسافت پيموده شده توسط آن­ ها (ميزان توليد انرژي جهت پيمودن مسافت هاي بالا)  و همچنين نحوه توليد انبوه، بعيد به نظر مي­ رسد که ما به زودي شاهد کنار رفتن آن ­ها و جايگزيني باتري­ هاي حالت جامد باشيم. اما بايد بدانيم که باتري ­هاي حالت جامد، منبع انرژي آينده اتومبيل ­هاي الکتريکي هستند، فقط ممکن است راه رسيدن به آنها طولاني ­تر از حد تصور باشد.

 

اشتراک گذاری مطلب
تست