مروری بر ۹ پیشرفت چشمگیر فناوری باتری در سال ۲۰۲۰

به عنوان موتورخانه بخش اعظمی از جهان مدرن،‌ اکنون محققان سراسر دنیا بر بهبود عملکرد باتری‌های امروزی متمرکز شده‌اند و برای دستیابی به این مهم، دست به هر ابتکار عملی که بتوان متصور شد می‌زنند. چه موضوع صحبت ساخت سریع‌ترین الکترودهای جهان باشد، چه ساخت قطعات باتری با ضایعات اتمی و چه جلوگیری از خطر آتش‌سوزی با امواج صوتی، سال ۲۰۲۰ نشان داد که محققان سراسر جهان بسیار خلاق بوده و مشغول به توسعه انبوهی از تکنولوژی‌های گوناگون برای نسل بعدی فضای ذخیره‌سازی انرژی شده‌اند.

در سالی که گذشت، چندین راه خلاقانه برای بهبود عملکرد الکترودها کشف شد، متوجه شدیم که استفاده از گرافین می‌توان الکترولیت‌ها را سرسخت‌تر کند و مواد پیشرفته هم به ساخت باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع‌تر منجر شدند. بیایید مروری کامل بر برجسته‌ترین ابداعات سال ۲۰۲۰ در حوزه باتری‌ها داشته باشیم و ببینیم تفکر خارج از چارچوب چگونه به پیشرفت منجر می‌شود.

تخته گاز

وقتی نوبت به بهبود عملکرد باتری‌ها با استفاده از مواد جدید برسد، گزینه‌های زیادی روی میز یافت خواهد شد، اما آنچه بیشترین پتانسیل را دارد لیتیوم فلز است. لیتیوم فلز که برخی نام «ماده رویایی» را برایش انتخاب کرده‌اند در کنار گرافیت و مس می‌تواند به تراکم هرچه بیشتر باتری‌های امروزی منجر شود و باتری نه‌تنها انرژی بیشتری در خود نگه می‌دارد، بلکه برای مدتی طولانی‌تر عمر می‌کند.

مشکل اصلی، امنیت است. همینطور که باتری شارژ می‌شود، روی سطح لیتیوم فلز شاهد شکل‌گیری چیزی به نام دندریت هستیم که می‌تواند منجر به اتصالی، آتش‌سوزی و در نهایت از کار افتادن دستگاه شود. در سال ۲۰۲۰ شاهد چند رویکرد نوآورانه برای حل این مشکل بودیم. برای مثال محققان دانشگاه ایالتی واشنگتن با افزودن چند ماده شیمیایی کلیدی به قطب منفی و الکترولیت، قادر به جلوگیری از تشکیل دندریت بوده‌اند.

همین نوآوری منجر به ساخت یک لایه محافظتی روی سطح قطب مثبت لیتیوم فلز شد که آن را در حداقل ۵۰۰ چرخه شارژ باثبات نگه می‌دارد. تیم دانشگاه واشنگتن حالا می‌خواهد از این ابداع خود استفاده تجاری و آن را به پروسه‌های تولید باتری اضافه کند.

حالت جامد، بدون دندریت

در ماه دسامبر، شرکت کالیفرنیایی QuantomScape به اعلام اعداد و ارقام مربوط به برخی از باتری‌های لیتیون فلز و حالت جامد خود پرداخت که برای استفاده در اتومبیل‌های الکتریکی طراحی شده بودند و این شرکت مسلما در جلب توجه عمومی موفق بود. آیا یک روز می‌توان ۸۰ درصد از باتری اتومبیل‌های تمام الکتریکی را در عرض تنها ۱۵ دقیقه شارژ کرد؟

QuantomScape دقیقا وعده چنین چیزی را داده،‌ عمدتا به این خاطر که به جای الکترولیت مایع، به استفاده از الکترولیت جامد روی آورده و قطب مثبت باتری نیز از جنس لیتیوم فلز است که هنگام اتصال باتری به شارژر، نقش گردآورنده جریان را ایفا می‌کند. باتری لیتیوم فلز جالت جامد ضمنا مشکل دندریت را نیز حل کرده. به این صورت که حفاظی از جنس سرامیک جامد میان قطب مثبت و قطب منفی قرار گرفته.

بزرگ‌ترین وعده این طراحی نوآورانه‌، باتری‌ای با تراکم بسیار بالا و حدودا ۴ برابر بیشتر از باتری‌های لیتیومی موجود در تسلا مدل ۳ است. وقتی هم که نوبت به وزن می‌رسد، این باتری قادر به ارائه ۳۸۰ الی ۵۰۰ وات ساعت به ازای هر کیلوگرم خواهد بود که به مراتب از ۲۶۰ وات ساعت به ازای هر کیلوگرم در باتری پک‌های تسلا بیشتر است. ناگفته نماند که بعد از پشت سر گذاشتن ۸۰۰ چرخه شارژ، باتری مورد اشاره توانسته ۸۰ درصد از ظرفیت خود را حفظ کند که از امنیت و طول عمر بالا حکایت دارد.

سواری بر امواج

در ماه فوریه، گروهی از محققان دانشگاه کالیفرنیا توانستند رویکردی خلاقانه برای جلوگیری از شکل‌گیری دندریت روی باتری‌های لیتیوم فلز بیابند. این تیم یک دیوایس فراصوت کوچک ساخت و آن را درون یک باتری لیتیوم فلزی تعبیه کرد. این دستگاه امواجی صوتی با فرکانس بالا را از میان الکترولیت‌های مایع عبور می‌دهد و با به جریان انداختن آن‌ها، از ایستا باقی ماندن‌شان جلوگیری می‌کند.

این کار منجر به توزیع یکپارچه لیتیوم روی قطب مثبت شد و دیگر مثل سابق شاهد توزیع نامساوی لیتیوم که به شکل‌گیری دندریت منجر می‌شود نبودیم. این باتری مجهز به دیوایس فراصوت در تست‌های خود توانست طی تنها ۱۰ دقیقه از صفر تا ۱۰۰ شارژ شود و بعد از پشت سر گذاشتن ۲۵۰ چرخه شارژ نیز کماکان باثبات باقی ماند.

یک باتری شارژ سریع

در مثالی دیگر که نشان می‌دهد محققان چطور قادر به تبدیل کردن باتری‌های لیتیوم فلز به محصولی واقع هستند، تیمی از دانشگاه Texas A&M دیوایسی را به نمایش درآورد که به عنوان قطب مثبت، از داربست‌هایی از جنس لوله‌های کربنی در ابعاد نانو استفاده می‌کرد. این لوله‌ها مولکول‌هایی درون خود دارند که لیتیوم یون را به سطح می‌چسبانند و منجر به عدم شکل‌گیری دندریت در سطح می‌شوند.

درحالی که این طراحی کاملا امن به حساب می‌آید، معماری باتری نیز به گونه‌ای بود که می‌توانست جریان‌های عظیم‌تر تولید کند. در واقع آنقدر عظیم که تیم مورد اشاره گفت دیوایسش قادر به کار با جریانی ۵ برابر بیشتر از باتری‌های معمول است و این یعنی شاید بزودی باتری‌هایی داشته باشیم که تنها در عرضه چند ثانیه یا دقیقه شارژ می‌شوند.

افزودن سیلیکون به معادله

درحالی که لیتیوم فلز ماده‌ای با پتانسیل‌های فراوان برای استفاده به عنوان قطب مثبت به حساب می‌آید، احتمالات هیجان‌انگیز دیگری نیز به چشم می‌خورد. برای مثال سیلیکون قادر به نگهداری چهار برابر لیتیوم یون بیشتر نسبت به گرافیت و مس امروزی است، هرچند که ظرفیت معمولا به سرعت کاهش می‌یابد.

در ماه ژوئن ۲۰۲۰ شاهد یک راه حل احتمالی برای این مشکل بودیم. محققان انستیتوی علم و تکنولوژی کره جنوبی از تکنیکی به نام پیش‌بارگذاری لیتیوم استفاده کردند که می‌تواند طول عمر باتری را بهبود ببخشد. روش کار به این صورت است که قطب مثبت سیلیکونی درون محلولی خاص غوطه‌ور می‌گردد که باعث نشت الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم به درون الکترود می‌شود و به این شکل، خساراتی که هنگام پشت سر گذاشتن چرخه‌های شارژ به وجود می‌آیند جبران خواهد شد.

درحالی که اکثر قطب‌های مثبت سیلیکونی بیش از ۲۰ درصد از یون‌های لیتیوم خود را در چرخه نخست شارژ از دست می‌دهند، این قطب مثبت جدید تنها ۱ درصد از یون‌ها را از دست داد. ناگفته نماند که باتری جدید کره‌ای‌ها، تراکم انرژی ۲۵ درصد بیشتر نسبت به همتایانی دارد که اکنون در بازار یافت می‌شوند.

ریزموج‌ها و نمک

یک ماده شیمیایی دیگر که پتانسیل‌های فراوان برای باتری‌ها به ارمغان می‌آورد -البته به دلایل متفاوت-، سدیم-یون است. لیتیوم نسبتا نادر است و استخراج آن نه‌تنها هزینه بسیاری می‌برد، بلکه به محیط زیست آسیب می‌زند. از سوی دیگر اما نمک را می‌توان تقریبا در هر جا یافت و این یعنی استفاده از آن در ابعاد وسیع می‌تواند بسیار ارزان‌تر تمام شود. در ماه آپریل متوجه شدیم که یکی از اجزای کلیدی باتری‌های غول‌آسا و صنعتی را می‌توان از ماده‌ای که به وفور یافت می‌شود استخراج کرد.

با آغاز کار با پلاستیک قابل بازیافت PET، محققان دانشگاه پوردو قادر به فشردن ماده تا رسیدن به دانه‌های ریز بودند و سپس با استفاده از تکنیک تابش ریزامواج فوق سریع، آن را به چیزی تبدیل کردند که تحت عنوان «دی‌سدیم ترافتالات» می‌شناسیم. این مولکول ارگانیک کوچک برای مدتی طولانی به عنوان یک ماده ایده‌آل برای قطب مثبت باتری‌ها در نظر گرفته شده و علت موضوع، عملکرد الکتروشیمیایی قدرتمندش است.

دوست شدن با گرانش

یک راهکار نویدبخش برای ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در ابعاد وسیع، احتمالا به کمک نیروی گرانش امکان‌پذیر شود. کمپانی اسکاتلندی Gravitricity در حال توسعه یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی جدید است که از مجموعه‌ای از وزنه‌های غول‌آسا، بکسل‌های قدرتمند و کابل‌هایی که همه‌چیز را کنار یکدیگر نگه می‌دارند تشکیل شده. هنگام نیاز به انرژی، این وزنه‌ها به درون یک لوله می‌افتند و بکسل‌ها را به حرکت در می‌آورند، در نتیجه الکتریسیته تولید می‌شود.

تمام این پروسه در عرض ۱۵ دقیقه طی می‌‌شود اما می‌تواند تا سقف ۸ ساعت نیز ادامه یابد و پیک خروجی ۱ الی ۲۰ مگاوات را با خود به ارمغان آورد. به این ترتیب اکنون یک راهکار کم‌هزینه و طولانی‌مدت برای تولید انرژی داریم و Gravitricity همین حالا مشغول به پایان رساندن کار توسعه نسخه پروتوتایپ تکنولوژی‌اش است تا تست کامل آن را اواخر ۲۰۲۱ اجرایی کند.

اندکی گرافین برای مقاومت بیشتر

در ماه ژوئن یک مثال دیگر از باتری‌های حالت جامد را مشاهده کردیم که این‌بار سطحی تحسین‌برانگیز از مقاومت را به نمایش در می‌آورند. در این باتری، الکترولیت مایع جای خود را به الکترولیت جامد می‌دهد و هدف غایی، ساخت باتری‌هایی با تراکم انرژی بیشتر است. اما استفاده از این ماده گاهی به ترک خوردن یا فرسایش باتری منجر می‌شود.

تیمی از محققین دانشگاه براون در صدد حل این مشکل برآمدند و شروع به استفاده از ماده گرافین کردند. گرافین در ابعاد بسیار کوچک به مواد سرامیکی افزوده شد تا الکترولیت جامد شکل بگیرد و به ادعای خود محققین، این مقاوم‌ترین ماده‌ای است که تا به امروز درون یک باتری به کار رفته.

آنچه این پژوهش را جالب‌تر می‌کند اینست که گرافین شدیدا رسانای الکتریسیته به حساب می‌آید و این خصیصه‌ای ایده‌آل برای الکترولیت یک باتری نیست و رسانایی باید فقط برای یون‌ها باشد. اما با اندک نگه داشتن مقادیر گرافین، تیم دانشگاه براون توانسته به نقطه تعادلی بی‌نظیر از رسانایی الکتریکی و سرسختی دیده‌نشده دست یابد.

سریع‌ترین الکترودهای جهان

تمام باتری‌ها یک جفت الکترود در خود دارند که کاتد (منفی) و آند (مثبت) نامیده می‌شود و جریان الکتریکی‌ از میان‌شان عبور می‌کند. ساختار این الکترودها معمولا شلخته است و یون‌های حامل شارژ را مجبور می‌کند تا از درون هزارتویی درهم‌پیچیده عبور کنند. حالا شرکت Nawa از ورژن خودش از یک الکترود رونمایی کرده که مسیری بسیار سرراست‌تر در اختیار یون‌ها قرار می‌دهد.

این الکترود ساختاری عمودی و هم‌تراز دارد که طراحی شانه سر را یادآوری می‌کند. هزاران میلیارد لوله کربنی در ابعاد نانو و با خاصیت رسانایی فراوان رو به بالا چیده شده‌اند و لایه‌ای از مواد فعال مانند لیتیوم-یون، آن‌ها را پوشانده. این ساختار عملا نقش یک بزرگراه را برای یون‌ها ایفا می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد به شکلی بهینه‌تر وارد باتری و از آن خارج شوند.

از نظر کاربرد در دنیای واقعی، کمپانی مورد اشاره می‌گوید که الکترودها فوق سریعش می‌توانند نرخ شارژ و تخلیه باتری را تا ۱۰ برابر سریع‌تر‌ کنند و این یعنی احتمالا می‌توان در عرض ۵ دقیقه، منتظر پر شدن ۸۰ درصد از ظرفیت باتری بود. تراکم انرژی از سوی دیگر تا ۲ الی ۳ برابر بیشتر می‌شود و هزینه تولید هم ارزان است.