مهمترین پیشرفت‌های صنعت باتری در سال ۲۰۱۹؛ از شرط بندی ماسک تا شارژ CO2

بسیاری از دستاوردهای مدرن بشر از خودروسازی گرفته تا دستگاه های الکترونیکی مدیون پیشرفت در ساخت باتری های قدرتمند و پر ظرفیت است. فناوری ساخت باتری امسال هم شاهد پیشرفت های قابل توجهی نظیر شارژ خودروهای برقی در ۱۰ دقیقه، باتری های با توان استخراج کربن دی اکسید از هوا و رکوردشکنی در ظرفیت باتری ها بود. با نزدیک شدن به پایان سال ۲۰۱۹ اکنون فرصت مناسبی برای بررسی مهمترین پیشرفت ها در حوزه باتری طی سال گذشته است.

ارتقای سرعت شارژ

باتری لیتیوم یون که در موبایل ها نیز جا خوش کرده اند، حین شارژ باید در محدوده دمایی مشخصی باقی بماند در غیر این صورت در خطر استهلاک و کاهش عمر مفید قرار می گیرد. با این حال اگر امکان شارژ ایمن آنها در دمای بالاتر وجود داشته باشد، نه تنها بازدهی افزایش می یابد بلکه دفعات شارژ کمتر خواهد شد.

در اکتبر سال جاری تیمی از محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا نوع جدیدی از باتری را به نمایش گذاشتند که دمای آن حین شارژ طی ۱۰ دقیقه به ۶۰ درجه سانتیگراد رسیده و سپس به سرعت خنک می شود. کاهش سریع دما باعث می شود که ریسک استهلاک بر اثر داغ شدن به حداقل برسد.

این ابداع از طریق اتصال یک فویل باریک نیکل به ترمینال منفی باتری ایجاد شده که حین عبور الکترون ها سریعا گرم شده و پس از قطع جریان به سرعت سرد می شود. تیم تحقیقاتی برای اطمینان از بی خطر بودن این روش ۱۷۰۰ بار چرخه شارژ را تکرار کرده اند. بازدهی این روش آنقدر بالا است که به گفته محققان با ۱۰ دقیقه شارژ باتری یک خودروی برقی، امکان پیمایش مسافتی ۳۲۰ تا ۴۸۰ کیلومتری را فراهم می سازد.

باتری با قابلیت جذب CO2

دو ماه قبل MIT نوع جدیدی از باتری را به نمایش گذاشت که کربن دی اکسید را از هوای اطراف جمع آوری می کند. این دستگاه به عنوان باتری الکترو-نوسانی شناخته می شود به دسته ای از الکترودهای آغشته به ترکیبات پلی آنتراکوئینون مجهز است که توانایی مکش مولکول های CO2 در محیط اطراف را دارند.

این فرایند حین شارژ باتری و تا زمانی که الکترودها پر از CO2 شوند، به صورت طبیعی انجام می شود. پس از آن همزمان با تخلیه شارژ می توان CO2 را در یک محفظه جداگانه ذخیره کرده و در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار داد. آزمایشات نشان داده که این نوع باتری پس از ۷۰۰۰ هزار چرخه شارژ تنها ۳۰ درصد بازدهی خود را از دست می دهند، از اینرو طول عمر نهایی آنها بین ۲۰ هزار تا ۵۰ هزار بار شارژ تخمین زده شده است.

باتری لیتیوم کربن دی اکسید

تحقیقات در حوزه باتری روی استفاده از مواد و ترکیبات جدید از جمله کربن دی اکسید متمرکز است چرا که چگالی انرژی باتری های لیتیوم کربن دی اکسید هفت برابر مدل های لیتیوم یون تخمین زده شده است. با این وجود توسعه نسخه ای که امکان شارژ آن به دفعات زیاد میسر باشد سخت تر از آن چیزی است که به نظر می رسد.

علت این مشکل تجمع ناخواسته کربن در کاتالیزور باتری حین شارژ است. سه ماه قبل متخصصان دانشگاه ایلی‌نوی در شیکاگو نخستین باتری لیتیوم کربن دی اکسید را با قابلیت شارژ مجدد به نمایش گذاشتند.

در کاتد این باتری از نانو ورقه های مولیبدن دی‌ سولفید استفاده شده و به الکترولیت هیبرید متشکل از مایع یونی و دی متیل سولفوکسید مجهز است. این ترکیب خاص از تجمع دردسرساز کربن روی کاتالیزور جلوگیری کرده و امکان طی ۵۰۰ چرخه شارژ را می دهد.

باتری برای ذخیره انرژی از منابع تجدید پذیر

منابع تجدید پذیر مثل باد و خورشید قادر به تولید حجم بالایی از انرژی هستند اما ذخیره آنها برای استفاده در ساعات اوج مصرف پیچیدگی های بسیاری دارد. اوایل امسال استارتاپ استرالیایی CCT دستگاهی را برای ذخیره انرژی ارائه کرد که از شبکه های لیتیوم یون استاندارد کارآمدتر است.

این دستگاه که TED نام گرفته، در واقع یک باتری ماژولار است که قادر به تغذیه الکتریسیته از منابع مختلف و استفاده از آن برای ذوب سیلیکون در یک محفظه عایق بندی شده است. سپس موتوری حرارتی این انرژی را برای استفاده در صورت لزوم ذخیره می کند. TED نخستین باتری گرمایی کاربردی به شمار می رود و هر باکس آن قادر به ذخیره ۱.۲ مگاوات ساعت انرژی است اما می توان واحدها را تا حدی ارتقا داد که یک باتری با حجم نامحدود ساخته شود.

مزایای این سیستم چگالی بالاتر از لیتیوم، قیمت کمتر و عدم استهلاک سیلیکون به شکلی است که لیتیوم دچار آن می شود. به گفته سازندگان باتری پس از ۳ هزار چرخه شارژ نشانه ای از استهلاک مشاهده نشده و احتمالا سیستم برای ۲۰ سال بازدهی خود را حفظ می کند.

دو برابر شدن چگالی باتری

باتری لیتیوم یون برای گوشی و لپتاپ به اندازه کافی شارژ فراهم می کند اما وقتی پای خودرو به میان می آید چگالی آنها جوابگو نیست و چاره ای جز افزایش وزن باتری باقی نمی ماند. محققان دانشگاه دیکن برای رفع این مشکل نوع جدیدی از باتری را توسعه داده اند که از الکترولیت جامد ساخته شده از پلیمرهای معمولی موجود در بازار بهره می برد.

در این محصول از الکترولیت های مایع فرار با ریسک بالای شعله ور شدن خبری نیست و در نتیجه ایمن تر از باتری های عادی است. علاوه بر این طراحی آن به گونه ای است که اجازه استفاده از اندهای فلزی لیتیومی برای دو برابر کردن چگالی باتری های لیتیومی و افزایش برد ماشین های برقی را می دهد.

افزایش ظرفیت بزرگترین باتری لیتیوم یون دنیا

تسلا در سال ۲۰۱۷ پروژه ساخت بزرگترین باتری لیتیوم یون دنیا با ظرفیت ۱۲۹ مگاوات ساعت و خروجی ۱۰۰ مگاوات را کلید زد و مدتی بعد به پایان رساند. این باتری در ایالت «استرالیای جنوبی» واقع شده و حالا تسلا با همکاری کمپانی فرانسوی Neoen دوباره سراغ آن رفته اند تا ظرفیت بزرگترین باتری دنیا را ۵۰ درصد دیگر افزایش دهند.

برق ذخیره شده در این باتری غول پیکر از طریق نیروگاه بادی هورنزدیل تامین می شود که هزینه چندانی در پی ندارد. صرفه اقتصادی باتری دولت استرالیا را به افزایش ۶۴.۵ مگاوات ساعتی ظرفیت و ۵۰ مگاواتی خروجی آن واداشته است. جالب اینجاست که توسعه این نیروگاه مدیون شرط بندی ماسک برای توسعه یک باتری غول پیکر طی ۱۰۰ روز یا تحویل آن به صورت رایگان است.

از دیگر دستاوردهای شاخص محققان طی سال ۲۰۱۹ باید به ساخت باتری پوشیدنی و قابل شستشو و ساخت باتری لیتیوم یون چگال برای پیمایش مسافت هزار کیلومتری اشاره کرد.