باتری که ۱۲۰ سال زودتر از زمانش اختراع شد: مروری بر تاریخ باتری‌ نیکل-آهن ادیسون

باتری که ۱۲۰ سال زودتر از زمانش اختراع شد: مروری بر تاریخ باتری‌ نیکل-آهن ادیسون

در آغاز قرن بیستم، توماس ادیسون باتری نیکل-آهن را توسعه داد که ویژگی‌های قابل توجهی داشت. با گذشت بیش از یک قرن هنوز محققان روی توسعه این باتری قابل شارژ و سازگار با محیط زیست معروف به باتری ادیسون کار می‌کنند و به دستاوردهای خوبی نیز دست یافته‌‌اند.

باتری‌های نیکل-آهن، سخت جان بوده و بسیار مقاوم هستند. همچنین تحمل بسیار بالایی در زمان شارژ شدن بیش از حد از خود نشان می دهند. از دیگر مزایای این باتری‌ها می‌توان به مقاومت خوب آنها در مقابل اتصال کوتاه اشاره کرد. اگر باتری‌های نیکل-آهن برای مدت طولانی شارژ نشوند،‌ بعد از شارژ مجدد کماکان عملکرد خوبی از خود نشان می‌دهند. گفتنی است این نوه باتری‌ها به دلیل وزن سنگینی که دارند برای برخی کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آنها وزن باتری اهمیت چندانی نداشته باشد.

یکی از کاربردهای خوب برای استفاده از باتری‌های نیکل-آهن، استفاده از آنها در سیستم‌ها انرژی خورشیدی و انرژی بادی است. باید در نظر داشت طول عمر باتری‌های نیکل-آهن از باتری‌های سربی- اسیدی بیشتر است و در واقع ماندگاری بالاتری دارند. اما به دلیل هزینه بالای تولید، این باتری‌ها به مرور زمان محبوبیت خود را از دست داده‌اند.

باتری نیکل-آهن در زمان ادیسون

حدود ۱۲۰ سال قبل، خودروی برقی توماس ادیسون در جاده سنگلاخی وست اورنج نیوجرسی با چنان قدرت و سرعتی حرکت می‌کرد که عابران پیاده و حتی سایر خودروهای معمولی را متعجب کرده بود. توماس ادیسون با خودروی برقی خود با سرعتی در حدود دو برابر خودروهای معمولی آن مقطع زمانی مسیر را طی می‌کرد و در جاده سنگلاخی، گرد و غباری به پا کرده بود. خودروی برقی ادیسون می‌توانست در نبردی،‌ اسب‌های تیزپا و سایر خودروهای معمولی را به میدان مبارزه بکشاند.

اوایل دهه ۱۹۰۰ بود که راننده این خودروی خاص یعنی توماس ادیسون توانست تغییری در ساختار باتری‌های خودروهای برقی آن مقطع زمانی ایجاد کند.

در حالی که خودروهای برقی در آن مقطع زمانی، اکثر خودروها از باتری‌های اسید-سربی بهره می‌بردند، توماس ادیسون خودروی برقی خود را به نوع جدیدی از باتری مجهز کرده بود. وی در نظر داشت تمامی خودروهای آن مقطع زمانی را به این بارتی مجهز کند. باتری ادیسون از نوع نیکل-آهنی بود.

ادیسون با تکیه بر کار مخترع سوئدی «ارنست والدمار یونگنر» که اولین بار باتری نیکل آهنی را در سال ۱۸۹۹ توسعه داد،‌ به فکر اصلاح باتری برای استفاده در خودروها افتاد. ادیسون ادعا می‌کرد باتری نیکل-آهنی بسیار مقاوم است و می‌تواند دو برابر سریعتر از باتری‌های اسید-سربی شارژ شود. او حتی برای تولید این وسیله نقلیه الکتریکی کارآمدتر با فورد موتور قراردادی را تنظیم کرد.

اما باتری نیکل-آهنی کارهایی مشکلاتی نیز داشت. مثلا بزرگتر از باتری‌های اسید-سربی بود و قیمت بالاتری داشت. همچنین هنگام شارژ شدن، هیدروژن آزاد می‌کرد که می‌توانست خطرناک باشد و ایجاد مزاحمت می‌کرد. بیش از یک قرن بعد، مهندسان توانستند  باتری نیکل-آهنی را توسعه دهند.

متاسفانه زمانی که ادیسون نمونه اولیه پیشرفته‌‌تری از این باتری توسعه داد،‌ وسایل تقلیه با سوخت فسیلی بیشتر از خودروهای برقی مورد استفاده قرار می‌گرفت. وسایل نقلیه با سوخت فسیلی می‌توانستند مسافت‌های طولانی را طی کنند. در همان مقطع زمانی، قرارداد ادیسون با فورد موتور ملغی شد. هرچند باتری توسعه یافته توسط ادیسون، همچنان در مکان‌های خاصی مانند سیگنالینگ راه آهن مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از چنین باتری‌هایی با اندازه بزرگ در خطوط سیگنالینگ راه آهن مشکلی ایجاد نمی‌کرد و به همین دلیل باتری ادیسون راه خود را در آنجا پیدا کرد و مورد استفاده قرار گرفت.

اما بیش از یک قرن بعد، مهندسان باتری نیکل-آهنی را توسعه دادند. این باتری درحال حاضر به عنوان پاسخی برای چالش‌های زیست محیطی و برای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از انرژی‌های منابع طبیعی مانند انرژی باد و خورشید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

تا اواسط دهه ۲۰۱۰، تیم تحقیقاتی در دانشگاه صنعتی دلفت در هلند، روی توسعه باتری نیکل-آهن کار کردند و به موفقیت‌هایی دست یافتند. هنگامی که انرژی الکتریسیته هنگام شارژ شدن مجدد از باتری عبور می‌کرد، واکنش شیمیایی انجام می‌شد که هیدروژن و اکسیژن آزاد می‌کرد. این واکنش شیمیایی برای تیم تحقیقاتی یادآور آزادسازی هیدروژن از آب در هنگام الکترولیز بود.

«فوکو مولدر»، سرپرست تیم تحقیقاتی دانشگاه دلفت می‌گوید:

«از نظر من واکنش شیمیایی هر دو سیستم مشابه یکدیگر است. این واکنش شیمیایی یکی از راه‌های است که می‌توان هیدروژن را از آب جدا کرد. چنین رویکردی برای تولید سوخت،‌ رویکرد درستی است و می‌تواند سوخت کاملا تمیزی را تولید کند، به شرطی که انرژی مورد استفاده برای هدایت واکنش از منبع تجدید پذیر باشد.»

باتری‌های نیکل آهنی دوام بسیار بالایی دارند و همانطور که ادیسون در خودرو برقی اولیه خود نشان داد،‌ برخی از این باتری‌ها تا ۴۰ سال عمر می‌کنند و جان سخت هستند.

در حالی که «مولدر» و تیمش می‌دانستند که الکترودهای مورد استفاده در باتری نیکل-آهن قادر به تجزیه آب هستند، اما بسیار  شگفت زده هم شده بودند وقتی متوجه شدند که این الکترودها ذخیره انرژی بیشتری نسبت به قبل از تولید هیدروژن دارند. به عبارت دیگر، هنگامی که از باتری به عنوان الکترولیز کننده نیز استفاده می‌شد، باتری عملکرد بهتری از خود نشان می‌داد. آنها همچنین از دیدن الکترودهایی که الکترولیز را به خوبی تحمل می‌کنند و می‌توانند بیش از حد باتری‌های سنتی‌تر را تخریب کرده و آسیب به آن وارد کنند، بسیار شگفت زده شده بودند.

«مولدر» می‌گوید:

«در طی آزمایش‌ها ما به این نتیجه رسیدیم که باتری توسعه یافته از کارایی خوبی نیز برخوردار است و از بهره وری انرژی به سطح حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد می‌رسد.»

مولدر این سیستم ذخیره انرژی موقت را «باتلیزر» (battolyser) نامید. مولدرامیدوار بود که این کشف بتواند دو چالش عمده مربوط به انرژی‌های تجدیدپذیر را حل کند: ذخیره انرژی و تولید سوخت پاک.

مولدر می‌گوید:

«همه این بحث‌ها را در مورد باتری‌ها از یک سو و موضوع هیدروژن را از سوی دیگر مورد توجه قرار می‌دهد. از نظر وی همیشه نوعی رقابت بین این دو وجود دارد، اما اساسا هر دو مهم هستند و باید به آن توجه کرد.»

انرژی‌های تجدیدپذیر

یکی از بزرگترین چالش‌های منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید، غیرقابل پیش بینی بودن وضعیت آنها است. در واقع باید مشخص شود تا چه اندازه می‌توان روی تولید انرژی با کمک آنها حساب کرد و تا چه اندازه می‌توان از آنها استفاده کرد. به عنوان مثال، با انرژی خورشیدی می‌توان در طول روز و در بازه زمانی فصل گرما و تابستان به خوبی نیاز مورد نظر را تامین کرد ولی در ساعات شب یا در ماه‌های سرد و ابری،‌ شرایط تغییر می‌کند.

باتری‌های معمولی مانند باتری‌های مبتنی بر لیتیوم می‌توانند انرژی را در کوتاه مدت ذخیره کنند، اما هنگامی که به صورت کامل شارژ می‌شوند‌، دیگر نمی‌توانند مازاد اضافی را مورد استفاده قرار بدهند. در غیر این صورت ممکن است بیش از حد گرم شده یا حتی آسیب ببینند.

«جان بارتون»، یکی از محققان دانشکده مهندسی مکانیک، و دانشگاه Loughborough در انگلستان  که در این زمینه تحقیق می‌کند، می‌گوید:

«باتری‌های نیکل آهنی شرایط منعطف‌تری دارند و می‌توانند بهتر از سایر باتری‌ها شرایط مختلف را تحمل کنند.»

باتری‌های نیکل-آهنی علاوه بر تولید هیدروژن‌، ویژگی‌های مفید دیگری نیز دارند که یکی از مهم‌ترین موارد آن است که می‌توان آنها را در شرایط غیرمعمول نگهداری کرد. از دیگر مزایای آنها دوام بسیار بالای چنین باتری‌هایی است و همانطور که گفته شد ادیسون یکی از این باتری‌ها را به مدت ۴۰ سال در خودروی برقی توانست مورد استفاده قرار دهد. همچنین در تولید این باتری‌ها از فلزاتی مانند نیکل و آهن استفاده می‌شود که به نسبت کبالت که برای ساخت باتری‌های معمولی استفاده می‌شود، جزو فلزات رایج است.

همه این موارد حاکی از آن است که از چنین باتری‌هایی می‌توان برای تولید انرژی تجدیدپذیر استفاده کرد و همین مساله می‌تواند مزایای بیشتری را در مورد آنها به همراه داشته باشد.

قیمت انرژی‌های تجدیدپذیر نیز همانند بسیاری دیگر از صنایع بر اساس عرضه و تقاضا در نوسان است. مثلا در روز روشن و آفتابی، بی‌شک میزان زیادی انرژی خورشیدی در دسترس است که به کاهش قیمت انرژی کمک می‌‌کند،‌ ولی در روزهای ابری شرایط تغییر می‌کند.

مولدر می‌گوید: «وقتی قیمت برق بالا است، می‌توان از چنین منابع انرژی استفاده کرد و باتری‌هایی را با کمک چنین منابع انرژی شارژ کرده و مورد استفاده قرار داد.»

مولدر معتقد است که باتولیزر به دلیل دوام سیستم می‌تواند فرآیند الکترولیز و تولید هیدروژن را با هزینه کمتر و برای مدت زمان بیشتری انجام دهد. در حالی که هیدروژن محصول مستقیم باتلیزر است، مواد مفید دیگری نیز می‌توان از این طریق تولید کرد. می‌‌توان از باتلیزر، آمونیاک یا متانول که معمولا ذخیره و حمل و نقل آن آسان‌تر است، تولید کرد.

«هانس وریژنهوف» مدیرعامل شرکت  Proton Ventures می‌گوید:

«با داشتن یک باتری باتلیزر می‌توان امید داشت که یک کارخانه آمونیاک به صورت پیوسته به کار خود ادامه می‌دهد و به نیروی انسانی کمتری نیاز دارد. همچنین هزینه‌های عملیاتی و هزینه‌های نگهداری چنین کارخانه‌ای کاهش پیدا می‌کند و بنابراین وی آمونیاک را ارزان‌ترین روش برای تولید پایدار و سبز تولید انرژی معرفی می‌کند.»

باتری نیکل-آهن بعد از ۱۲۰ سال

در حال حاضر، بزرگترین باتری موجود ۱۵ کیلو وات/۱۵ کیلووات ساعت است و ظرفیت باتری کافی و ذخیره هیدروژن طولانی مدت برای تغذیه ۱.۵ خانوار را دارد. نسخه بزرگتری از آن ۳۰ کیلو وات/۳۰ کیلووات ساعت است که در نیروگاه مگنوم در ایمشهاون هلند خدمت رسانی کرده و هیدروژن کافی را برای برآوردن نیازهای نیروگاه تامین می‌کند.

متخصصان در تلاش هستند که از این باتری برای مزارع انرژی خورشیدی و بادی بیشتر استفاده کنند و ظرفیت آن را به مقیاس گیگاوات برسانند که معادل توان تولید شده توسط حدود ۴۰۰ توربین بادی در مقیاس بزرگ است. این سیستم می‌تواند برای تامین انرژی برخی مکان‌های جغرافیایی که دسترسی به شبکه توزیع برق عمومی را ندارند،‌ مفید باشد.

باید در نظر داشت که در تولید این باتری‌ها از فلزات نسبتا ارزان و معمولی استفاده می‌شود. برخلاف لیتیوم، در استخراج فلزاتی مانند نیکل و آهن، به محیط زیست کمتر آسیب وارد می‌‌شود.

نظرات ۱
وارد شوید

برای گفتگو با کاربران، وارد حساب کاربری خود شوید.

Digiato

رمزتان را گم کرده‌اید؟

Digiato