نگاهی به تکنولوژی‌هایی که می‌توانند جایگزینی بهینه‌تر برای باتری‌های لیتیوم یون باشند

زمانی که کلنل برنت ویلسون فرماندهی کمپ اسمیت در اوآهو هاوایی را برعهده گرفت، پیشتر به نبرد خلیج فارس و نبرد عراق اعزام شده و بی‌شمار عملیات تدافعی در کوسووو را فرماندهی کرده بود. اما دشمنی که او با آن در مقر هاوایی ارتش آمریکا مواجه شد، با هر دشمنی که او پیشتر به عنوان خلبان هلیکوپتر در میدان نبرد دیده بود فرق داشت. او باید با زیرساخت تامین انرژی کهنسالی سر و کله می‌زد که مداوما به خاطر شرایط جوای نامساعد از پای درمی‌آمد.

ویلسون که در آن زمان یکی از اعضای مدیریت عملیات‌های تدافعی آمریکا در سراسر اقیانوس آرام بود می‌گوید: «تمام شبکه برق به صورت روتین از کار می‌افتاد و در کار ما هم اختلال ایجاد می‌کرد. نمی‌توان چنین چیزی را تحمل کرد».

اما در جبهه نبرد علیه زیرساخت ضعیف، یک متحد دست کم گرفته شده نیز وجود داشت: نور خورشید. ویلسون کمپینی برای نصب پنل‌های خورشیدی و باتری‌های صنعتی به راه انداخت که می‌توانستند بخش‌های حیاتی عملیات را در شرایط آب و هوایی وخیم آنلاین نگه دارند. این تجربه در نهایت باعث شد او وارد حیطه شغلی ثانویه خود شود: فروش باتری‌هایی آنقدر بزرگ که می‌توانند به خانه شما بدون نیاز به اتصال به شبکه برق انرژی‌رسانی کنند.

انفجار باتری

بازار باتری طی چند دهه اخیر رشدی شگرف داشته و انتظار می‌رود تا ۵ سال آینده، ۱۲ درصد رشد دیگر را نیز پشت سر بگذارد. تا سال ۲۰۲۵، این بازار ۹۰ میلیارد دلار ارزش خواهد یافت. طی دهه اخیر، کمپانی‌هایی مانند تسلا، دایسون و دایملر به سرمایه‌گذاری‌های میلیارد دلاری روی این صنعت پرداخته‌اند و یا کمپانی‌های کوچک‌تر را تحت تملک خود درآورده‌اند یا کارخانه‌هایی تازه تاسیس کرده‌اند.

تا سال ۲۰۲۵، بازار باتری ها ۹۰ میلیارد دلار ارزش خواهد یافت

این رشد در نهایت منجر به چه چیزی خواهد شد؟ قیمت باتری‌های لیتیوم یونی کاهش خواهد یافت، لوازم و اتومبیل‌های الکترونیکی استفاده گسترده‌تر از آن‌ها خواهند کرد و در نهایت، صاحبان خانه و کسب‌وکارهای بیشتری به دنبال دستیابی به انرژی خورشیدی و بادی خواهند بود.

البته که همراه با این رشد، انبوهی از ضایعات نیز از راه می‌رسند. متاسفانه اکثر باتری‌ها سر از اماکن دفن زباله در می‌آورند. نرخ بازیافت سلول‌های لیتیوم یونی واقعا وحشتناک است: حدودا ۵ درصد از این باتری‌ها در ایالات متحده و اروپا بازیافت می‌شوند. محققان اکنون در حال یافتن راه‌هایی برای بازیافت‌پذیرتر کردن باتری‌های لیتیوم یونی هستند، اما حتی اگر چنین راهکاری یافت شود هم، باید عادات مردم و شرکت‌هایی که به بازیافت باتری نپرداخته و صرفا آن‌ها را در سطل زباله پرتاب می‌کنند تغییر دهیم.

علاوه بر این، برخی محققان می‌گویند که مقادیر محدودی از لیتیوم در دسترس انسان است، البته اینکه چقدر محدود هنوز مشخص نشده. استخراج لیتیوم و کبالت (که معمولا برای الکترود مثبت باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود) بهایی سنگین برای محیط زیست و نوع بشر دارد. علاوه بر این، قیمت کبالت طی سال‌های اخیر به شکلی محسوس افزایش یافته.

تمام این‌ها ما را به چند سوال مهم می‌رساند: آیا باتری‌هایی ارزان‌تر و دوستدار محیط‌ زیست‌تر در بازار یافت می‌شوند؟ آیا می‌توانیم به استفاده از چیزی بهتر روی آوریم؟ آینده برای باتری‌ها چه شکلی است؟

آیا باتری‌هایی ارزان‌تر و دوستدار محیط‌ زیست‌تر در بازار یافت می‌شوند؟ آیا می‌توانیم به استفاده از چیزی بهتر روی آوریم؟

افراد زیادی در حال تحقیق روی احتمالات هستند. از دهه ۱۹۹۰ میلادی به بعد، بیش از ۳۰۰ هزار پتنت مرتبط با باتری‌ها به ثبت رسیده (۳۰ هزار مورد تنها در سال ۲۰۱۷). اگرچه بخش بسیار زیادی از این ابداعات به تکنولوژی باتری لیتیوم یونی مربوط می‌شود، پژوهش‌های زیادی هم روی الکترولیت حالت جامد، قطب مثبت سیلیکونی، لیتیوم-هوا، گرافین و سایر گزینه‌ها صورت گرفته است. برخی از این گزینه‌های جایگزین دوستدار محیط زیست هستند، برخی دیگر از نظر مقدار آسیب به محیط زیست تفاوتی با لیتیوم یون ندارند اما می‌توانند گزینه‌ای بهینه‌تر باشند.

اگرچه اکثر این باتری‌های جدید به اندازه لیتیوم یون به فراگیری نخواهند رسید (حداقل نه تا چند دهه آتی) اما می‌توانند گزینه‌هایی معرکه برای برخی بازارهای خاص و بزرگ باشند. بیایید نگاهی به محبوب‌ترین موارد بیندازیم.

لیتیوم آهن فسفات

به فاصله کمی بعد از بازنشستگی کلنل ویلسون از ارتش، مدیران یک کمپانی سازنده پنل‌های خورشیدی از او خواستند که از دانش وسیع خود راجع به ذخیره‌سازی انرژی استفاده کند (ارتش آمریکا یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان باتری در جهان به حساب می‌آید)، به سفری به لاس وگاس برود و به بررسی وضعیت باتری‌های خانگی بپردازد. بعد از سفر، او اسپردشیتی بزرگ ساخت تا توضیح دهد که از آنچه مشاهده کرده راضی نیست. بهترین باتری‌های موجود یا قیمتی بالاتر از توان مالکین خانه داشتند (۳۰ هزار دلار به بالا) یا به مقدار کافی انرژی‌رسانی نمی‌کردند. او سپس به همکاری با NeoVolta پرداخت تا خانواده‌ای از باتری‌ها را با کمترین قیمت‌های ۵ رقمی ممکن تولید کند.

افراد معدودی شروع به استفاده باتری‌های لیتیوم آهن فسفات کرده‌اند و به خاطر نرخ بهره‌گیری پایین، نرخ بازیافت هم آنقدرها خوب نیست

آن‌هایی که به مسائل مربوط به محیط زیست اهمیت می‌دهند به شما خواهند گفت که فضای ذخیره‌سازی لیتیوم آهن فسفات، صرفا نوعی دیگر از باتری‌های لیتیوم یون است، البته چند مزیت محسوس دارد: ارزان‌تر است، تراکم انرژی بالاتر دارد، بیشتر عمر می‌کند و اگر بخش‌های داخلی شکافته شوند آتش نمی‌گیرند. معایب؟ این باتری شدیدا سنگین‌وزن است (و به همین خاطر بهتر است در انبار خانه باشد تا درون موبایل‌تان). از طرف دیگر لایه بیرونی این باتری همچنان شامل لیتیوم است و بنابراین وضعیت بازیافت آن هم مشخص نیست.

به همین ترتیب، افراد معدودی شروع به استفاده باتری‌های لیتیوم آهن فسفات کرده‌اند و به خاطر نرخ بهره‌گیری پایین، نرخ بازیافت هم آنقدرها خوب نیست. برخی محققان اما می‌گویند که جدا کردن قطعات این باتری‌ها آسان‌تر است.

لیتیوم گوگرد

برخی متخصصین به سراغ فضای ذخیره‌سازی انرژی لیتیوم گوگرد به عنوان جایگزینی برای لیتیوم یون رفته‌اند، عمدتا چون این باتری‌ها وزن کمتر و تراکم انرژی بیشتری دارند. گوگرد ضمنا به وفور یافت می‌شود و قیمت پایین‌تری دارد.

کارکرد باتری لیتیوم یونی چه فرقی با باتری لیتیوم گوگرد دارد؟ پروفسور لیندا نظر که آزمایشگاهش در دانشگاه واترلو کانادا مشغول پژوهش روی باتری‌های لیتیوم گوگرد برای حداقل ۱۰ سال بوده، از تمثیل پارکینگ برای توصیف تفاوت‌ها استفاده می‌کند. درحالی که خالی شدن شارژ باتری لیتیوم یونی مثل این است که ماشین‌ها را به درون پارکینگ برده و بعد از آن خارج‌شان کنید، باتری لیتیوم گوگرد مثل این است که هنگام شارژ دوباره سلول، ساختار پارکینگ را به صورت کامل از بین برده و دوباره از نو بسازید.

واکنش شیمیایی بسیار شبیه به اتفاقی است که در باتری‌های سرب-اسید می‌افتد و شاهد دگرگونی کامل ساختاری و شیمیایی هستیم

واکنش شیمیایی بسیار شبیه به اتفاقی است که در باتری‌های سرب-اسید می‌افتد و شاهد دگرگونی کامل ساختاری و شیمیایی هستیم. این دست از باتری‌های «تبدیلی» مزایا و چالش‌های مخصوص به خود را به همراه می‌آورند. نظر می‌گوید: «مزیت‌شان اینست که می‌توانند الکترون‌های بیشتری را در خود ذخیره کنند». از طرف دیگر، گوگرد رسانایی نسبتا کمی دارد و حجم باتری هم بعد از هر تخلیه انرژی تغییر می‌کند. تیم آزمایشگاه دانشگاه واترلو در حال دستکاری مواد تشکیل‌دهنده این باتری‌ها است تا چرخه عمرشان را افزایش داده و واکنش‌های شیمیایی را بهینه کند.

اگر برخی چالش‌های موجود در این باتری‌ها برطرف شوند، به عقیده نظر شاهد استفاده از آن‌ها در صنعت هواگردی و همینطور پهپادها خواهیم بود. هواپیماها و پهپادهای بدون سرنشین Zephyr پیشتر با استفاده از باتری‌های لیتیوم گوگرد به پرواز درآمده‌اند و برخی از طولانی‌ترین پروازهای قوت گرفته از باتری را به نمایش گذاشته‌اند.

سدیم یون

آن عنصر جدول تناوبی که برای قلب شما واقعا خطرناک است، می‌تواند کمکی شایان به تکنولوژی باتری‌ها کند. تحقیق روی باتری‌های سدیم یون در دهه ۱۹۷۰ میلادی آغاز شد، تقریبا همان زمانی که تحقیقات روی حافظه‌های انرژی لیتیوم یونی نیز آغاز شد. این دو عنصر در جدول تناوبی همسایه یکدیگر هستند. به مرور زمان، لیتیوم یون به موفقیت رسید و سدیم یون برای حداقل سه دهه، گزینه‌ای کم انرژی به حساب آمد.

«باتری‌های سدیم یونی به ما این امکان را می‌دهند که با عناصری که به وفور در زمین یافت می‌شوند کار کنیم - الکترودهای مثبتی از جنس فلز، منگنز و تیتانیوم بسازیم»

نظر که آزمایشگاهش روی باتری‌های سدیمی هم کار کرده می‌گوید: «این عنصر مثل بهترین گزینه موجود به نظر می‌رسد. باتری‌های سدیم یونی به ما این امکان را می‌دهند که با عناصری که به وفور در زمین یافت می‌شوند کار کنیم - الکترودهای مثبتی از جنس فلز، منگنز و تیتانیوم بسازیم. عناصری که قیمت بسیار کمتری دارند. اما کارکرد شیمیایی این باتری‌ها یک چالش است، زیرا سدیم درست به خوبی لیتیوم کار نمی‌کند».

نظر می‌گوید که به خاطر کاهش دائمی قیمت باتری‌های لیتیوم یونی، برخی کمپانی‌ها فکر می‌کنند که سرمایه‌گذاری روی باتری‌های سدیم یون ارزش‌اش را ندارد. اما او می‌گوید: «به نظر ارزش‌اش را دارد که انبوهی از منابع را به باتری‌های سدیم یون اختصاص دهیم. اگر بالاخره به آن لحظه‌ای برسیم که باتری‌های سدیم یون به خوبی کار می‌کنند و تراکم انرژی بالا دارند، گامی بسیار بلند به جلو برداشته‌ایم».

شکر

چه باورتان شود و چه نه، می‌توان مثل کودکی که با شیرینی به جنب و جوش می‌افتد، باتری‌ها را هم با شکر به کار انداخت. سونی برای نخستین بار طی سال ۲۰۰۷ به انتشار نتایج پژوهش روی واکنشی پرداخت که در آن مالتودکسترین اکسیده شده و انرژی تولید می‌کند. اگرچه دسترس‌پذیری و سازگاری با محیط زیست در باتری‌های ساخته شده از شکر نسبت به نمونه‌های لیتیوم یونی بیشتر است، ولتاژی که با واکنش شیمیایی آن‌ها به دست می‌آید به شکل قابل توجهی کمتر است.

با این که این مفهوم برای نخستین بار در سال ۲۰۰۷ مطرح شد، اما همچنان به آن توجه می‌شود

با این که این مفهوم برای نخستین بار در سال ۲۰۰۷ مطرح شد، اما همچنان به آن توجه می‌شود. در سال ۲۰۱۶ یکی از تیم‌های انستیتوی تکنولوژی ماساچوست به رهبری پروفسور مایکل استرانو به تولید دیوایس به نام Thermopower Wave پرداخت که بهینه‌تر از سیستم‌های مبتنی بر باتری‌ شکری پیشین بود و می‌توانست به یک لامپ LED معمولی انرژی برساند. این دستاوردی هیجان‌انگیز بود،‌ زیرا شکر در مقادیر فراوان یافت می‌شود و اگر بتوانیم از آن‌ها باتری بسازیم، تکنولوژی زیرین با سرعتی غیر قابل تصور رشد خواهد کرد. متاسفانه اما حداقل چند سالی با دسترسی تجاری به این باتری‌ها فاصله داریم.

کاغذ

ساخت باتری از کاغذ مزایای فراوانی به همراه می‌آورد: این نوع باتری باریک است، انعطاف‌پذیر است و اگر با مواد درست ساخته شود، زیست تخریب‌پذیر خواهد بود. تیمی در دانشگاه استنفورد با استفاده از یک لایه باریک کربن و جوهر نقره‌ای اشباع شده قادر به ساخت نخستین باتری‌های کاغذی بوده است. در مثالی تازه‌تر، دانشگاه برمینگهام هم به تولید چنین باتری‌هایی پرداخته و موجب هیجان‌زدگی حامیان محیط زیست شده است. پروفسور سئوخون چوی هم توانسته ورژن‌های مختلفی از این باتری‌ها بسازد که یک مورد از آن از بذاق دهان انسان قوت می‌گیرد و دیگری از باکتری.

باتری کاغذی باریک است، انعطاف‌پذیر است و اگر با مواد درست ساخته شود، زیست تخریب‌پذیر خواهد بود

هنگامی که از این نوآوری رونمایی شد، چوی گفت: «باتری کاغذی هیبریدی ما نسبت انرژی به هزینه بسیار بالاتری در قیاس باتری‌های میکروبی و مبتنی بر کاغذ پیشین نشان داد.» اگرچه مصرف تجاری این باتری‌های کاغذی و دوست‌دار محیط زیست به خاطر خروجی الکتریکی پایین آن‌ها محدود بوده (هر باتری می‌تواند یک لامپ LED را برای حدود ۲۰ دقیقه روشن نگه دارد)، محققان امیدوارند که شاهد استفاده از آن‌ها در دیوایس‌های الکترونیکی، دیوایس‌های وایرلس و همینطور هواگردها و اتومبیل‌ها باشیم. چوی در یک مقاله نیز استفاده یک بار مصرف از این باتری‌ها را در کشورهای در حال توسعه پیشنهاد کرده که شاید باتری به صورت گسترده در آن‌ها در دسترس نباشد.

هوا

باتری‌های زینک-هوا که ابعادی حدودا هم‌اندازه‌ی اسمارتیز دارند و از واکنش میان اکسیژن و زینک قوت می‌گیرند، برای سالیان متمادی در سمعک‌ها استفاده شده‌اند. زینک ماده‌ای ارزان است که به وفور یافت می‌شود و بنابراین تکنولوژی مورد نظرمان نه‌تنها دوست‌دار محیط زیست است، بلکه بسیار اقتصادی از آب در می‌آید.

اما تلاش برای قابل شارژ کردن این تکنولوژی با محدودیت‌هایی همراه بوده. هنگام شارژ امکان شکل‌گیری کریستال‌های دندریت وجود دارد که ظرفیت و عمر باتری را کاهش می‌دهند. محققان به دنبال راه‌های مختلف برای حل این مشکل بوده‌اند، مثل «شارژ مکانیکی» باتری از طریق جایگزین کردن فیزیکی مواد مورد استفاده. این رویکردی است که در اتوبوس‌های الکتریکی کشور سنگاپور به کار گرفته شده. طی دهه اخیر، تسلا نیز چندین پتنت راجع به باتری‌های لیتیوم-هوا به ثبت رسانده و بنابراین تکنولوژی مورد اشاره می‌تواند بزودی در چیزهای بسیار بیشتری نسبت به سمعک‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

آهن

چند سال پیش، پروفسور شیمی دانشگاه آیداهو، پیتر آلن، شروع به نمایش میزان علاقه خود به باتری‌ها در وب‌سایت یوتیوب کرد. او به شکلی تقریبا آنی دریافت که بینندگان واقعا به محتویات مربوط به باتری‌ها تمایل نشان می‌دهند و همین باعث شد که به عنوان یک نمایش علمی، یک باتری آهنی قابل شارژ بسازد. این پروژه در نهایت منجر به تولید بیش از ۱۰۰ ویدیو شد که گام‌های تولید، مشکلات و آموزش ساخت چنین باتری‌هایی را تشریح می‌کنند.

این پروفسور که در حوزه شیمی بیولوژیک تخصص دارد بارها در ویدیوهایش گفته که: «نمی‌خواهم خودم را متخصص امور مربوط به باتری‌ها معرفی کنم». در جریان تولید ویدیوهای یوتیوبی‌اش، او متوجه شد که با ساخت باتری‌های خانگی و نسبتا ارزان، می‌توان چیزهای زیادی آموخت و یاد گرفت.

او می‌گوید: «تکنولوژی باتری آهنی برای حدود ۱۰۰ سال وجود داشته است، بنابراین افرادی که در این حوزه تخصص دارند می‌گویند با زمینه‌ای تکراری طرف هستیم. اما من ساده لوح وارد این دنیا شدم و گفتم بسیار خب، بگذارید ببینیم می‌توانیم چیز جالبی پیدا کنیم یا خیر».

بعد از دو سال، ساخت بیش از ۳۰ ورژن مختلف از باتری‌های آهنی و کمک گرفتن از دانشجویانی که هنوز فارغ التحصیل نشده بودند، آلن توانست به بالانسی میان مواد جامد و مایع برسد تا مقدار بهینه‌ای از تراکم انرژی اما همراه با خروجی کم حاصل شود».

«بعد این پرسش مطرح شد که اگر شیمی شما کار کند اما کند باشد، چطور می‌توانید سرعتش را بالا ببرید؟» تیم او اکنون دقیقا روی همین چالش تازه کار می‌کند.

برنده کدام تکنولوژی خواهد بود؟

آیا باتری آهنی آلن یک روز از لحاظ تجاری بازدهی خواهد داشت؟ او مطمئن نیست که یافته‌های کنونی تیمش که در یک ژورنال علمی منتشر شده‌اند آن‌ها را به چنین نقطه‌ای برسانند. با بررسی بی‌شمار ابداع مختلف در دنیای باتری‌ها، او پی برده که تنها موارد محدودی راهشان را به بازار باز خواهند کرد. در تحقیقات علمی‌اش او به این اشاره کرده که با یک «دره‌ی مرگ» در بازار روبه‌رو هستیم.

او توضیح می‌دهد: «میان تحقیقات ساده و ایجاد بهبودهای ضروری برای اینکه باتری شکلی تجاری به خود بگیرد، شکافی عمیق وجود دارد.» در سا ۲۰۱۹، سرمایه‌گذاران ۱.۷ میلیارد دلار صرف کمک به استارتاپ‌های فعال در حوزه باتری کردند و ۱.۴ میلیارد دلار از این رقم به تحقیق روی باتری‌های لیتیوم یونی اختصاص یافت. اما باتری‌های زینک-هوا، فلز مایع و بسیاری تکنولوژی دیگر هم چک‌های امضا شده خود را دارند. اگرچه باتری لیتیوم یونی برای حداقل ۱۰ سال دیگر بازار را تحت سلطه خواهد داشت، انبوهی از تکنولوژی‌های دیگر ظاهرا دارند راهشان را از دره‌ی مرگ به بیرون باز می‌کنند.