نگاهی به پیشرفتهای چشمگیر فناوری باتری در سال 2020

به گزارش مجله سرگرمی، در سالی که گذشت، چندین راه خلاقانه برای بهبود عملکرد الکترودها کشف شد.

نگاهی به پیشرفتهای چشمگیر فناوری باتری در سال 2020

به گزارش خبرنگاران به نقل از دیجیاتو، به عنوان موتورخانه بخش اعظمی از جهان مدرن، اکنون محققان سراسر جهان بر بهبود عملکرد باتری های امروزی متمرکز شده اند و برای دستیابی به این مهم، دست به هر ابتکار عملی که بتوان متصور شد می زنند. چه موضوع صحبت ساخت سریع ترین الکترودهای جهان باشد، چه ساخت قطعات باتری با ضایعات اتمی و چه جلوگیری از خطر آتش سوزی با امواج صوتی، سال 2020 نشان داد که محققان سراسر جهان بسیار خلاق بوده و مشغول به توسعه انبوهی از تکنولوژی های گوناگون برای نسل بعدی فضای ذخیره سازی انرژی شده اند.

در سالی که گذشت، چندین راه خلاقانه برای بهبود عملکرد الکترودها کشف شد، متوجه شدیم که استفاده از گرافین می توان الکترولیت ها را سرسخت تر کند و مواد پیشرفته هم به ساخت باتری هایی با قابلیت شارژ سریع تر منجر شدند. بیایید مروری کامل بر برجسته ترین ابداعات سال 2020 در حوزه باتری ها داشته باشیم و ببینیم تفکر خارج از چارچوب چگونه به پیشرفت منجر می شود.

تخته گاز

وقتی نوبت به بهبود عملکرد باتری ها با استفاده از مواد جدید برسد، گزینه های زیادی روی میز یافت خواهد شد، اما آنچه بیشترین پتانسیل را دارد لیتیوم فلز است. لیتیوم فلز که بعضی نام ماده رویایی را برایش انتخاب نموده اند در کنار گرافیت و مس می تواند به تراکم هرچه بیشتر باتری های امروزی منجر شود و باتری نه تنها انرژی بیشتری در خود نگه می دارد، بلکه برای مدتی طولانی تر عمر می نماید.

مشکل اصلی، امنیت است. همینطور که باتری شارژ می شود، روی سطح لیتیوم فلز شاهد شکل گیری چیزی به نام دندریت هستیم که می تواند منجر به اتصالی، آتش سوزی و در نهایت از کار افتادن دستگاه شود. در سال 2020 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 بوده اند.

همین نوآوری منجر به ساخت یک لایه محافظتی روی سطح قطب مثبت لیتیوم فلز شد که آن را در حداقل 500 چرخه شارژ باثبات نگه می دارد. تیم دانشگاه واشنگتن حالا می خواهد از این ابداع خود استفاده تجاری و آن را به فرایند های فراوری باتری اضافه کند.

حالت جامد، بدون دندریت

در ماه دسامبر، شرکت کالیفرنیایی QuantomScape به اعلام اعداد و ارقام مربوط به بعضی از باتری های لیتیون فلز و حالت جامد خود پرداخت که برای استفاده در اتومبیل های الکتریکی طراحی شده بودند و این شرکت مسلما در جلب توجه عمومی پیروز بود. آیا یک روز می توان 80 درصد از باتری اتومبیل های تمام الکتریکی را در عرض تنها 15 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 می نماید. باتری لیتیوم فلز جالت جامد در ضمن مشکل دندریت را نیز حل نموده. به این صورت که حفاظی از جنس سرامیک جامد میان قطب مثبت و قطب منفی قرار گرفته.

بزرگ ترین وعده این طراحی نوآورانه ، باتری ای با تراکم بسیار بالا و حدودا 4 برابر بیشتر از باتری های لیتیومی موجود در تسلا مدل 3 است. وقتی هم که نوبت به وزن می رسد، این باتری قادر به ارائه 380 الی 500 وات ساعت به ازای هر کیلوگرم خواهد بود که به مراتب از 260 وات ساعت به ازای هر کیلوگرم در باتری پک های تسلا بیشتر است. ناگفته نماند که بعد از پشت سر گذاشتن 800 چرخه شارژ، باتری مورد اشاره توانسته 80 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 شکل گیری دندریت روی باتری های 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 الکترولیت های مایع عبور می دهد و با به جریان انداختن آن ها، از ایستا باقی ماندن شان جلوگیری می نماید.

این کار منجر به توزیع یکپارچه لیتیوم روی قطب مثبت شد و دیگر مثل سابق شاهد توزیع نامساوی لیتیوم که به شکل گیری دندریت منجر می شود نبودیم. این باتری مجهز به دیوایس فراصوت در تست های خود توانست طی تنها 10 دقیقه از صفر تا 100 شارژ شود و بعد از پشت سر گذاشتن 250 چرخه شارژ نیز کماکان باثبات باقی ماند.

یک باتری شارژ سریع

در مثالی دیگر که نشان می دهد محققان چطور قادر به تبدیل کردن باتری های لیتیوم فلز به محصولی واقع هستند، تیمی از دانشگاه Texas A&M دیوایسی را به نمایش درآورد که به عنوان قطب مثبت، از داربست هایی از جنس لوله های کربنی در ابعاد نانو استفاده می کرد. این لوله ها مولکول هایی درون خود دارند که لیتیوم یون را به سطح می چسبانند و منجر به عدم شکل گیری دندریت در سطح می شوند.

درحالی که این طراحی کاملا امن به حساب می آید، معماری باتری نیز به گونه ای بود که می توانست جریان های بزرگ تر فراوری کند. در واقع آنقدر بزرگ که تیم مورد اشاره گفت دیوایسش قادر به کار با جریانی 5 برابر بیشتر از باتری های معمول است و این یعنی شاید بزودی باتری هایی داشته باشیم که تنها در عرضه چند ثانیه یا دقیقه شارژ می شوند.

افزودن سیلیکون به معادله

درحالی که لیتیوم فلز ماده ای با پتانسیل های فراوان برای استفاده به عنوان قطب مثبت به حساب می آید، احتمالات هیجان انگیز دیگری نیز به چشم می خورد. 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 می یابد.

در ماه ژوئن 2020 شاهد یک راه چاره احتمالی برای این مشکل بودیم. محققان انستیتوی علم و تکنولوژی کره جنوبی از تکنیکی به نام پیش بارگذاری لیتیوم استفاده کردند که می تواند طول عمر باتری را بهبود ببخشد. روش کار به این صورت است که قطب مثبت سیلیکونی درون محلولی خاص غوطه ور می شود که باعث نشت الکترون ها و یون های لیتیوم به درون الکترود می شود و به این شکل، خساراتی که هنگام پشت سر گذاشتن چرخه های شارژ به وجود می آیند جبران خواهد شد.

درحالی که بیشتر قطب های مثبت سیلیکونی بیش از 20 درصد از یون های لیتیوم خود را در چرخه نخست شارژ از دست می دهند، این قطب مثبت جدید تنها 1 درصد از یون ها را از دست داد. ناگفته نماند که باتری جدید کره ای ها، تراکم انرژی 25 درصد بیشتر نسبت به همتایانی دارد که اکنون در بازار یافت می شوند.

ریزموج ها و نمک

یک ماده شیمیایی دیگر که پتانسیل های فراوان برای باتری ها به ارمغان می آورد -البته به دلایل متفاوت-، سدیم-یون است. لیتیوم نسبتا نادر است و استخراج آن نه تنها هزینه بسیاری می برد، بلکه به محیط زیست آسیب می زند. از سوی دیگر اما نمک را می توان تقریبا در هر جا یافت و این یعنی استفاده از آن در ابعاد وسیع می تواند بسیار ارزان تر تمام شود. در ماه آپریل متوجه شدیم که یکی از اجزای کلیدی باتری های غول آسا و صنعتی را می توان از ماده ای که به وفور یافت می شود استخراج کرد.

با آغاز کار با پلاستیک قابل بازیافت PET، محققان دانشگاه پوردو قادر به فشردن ماده تا رسیدن به دانه های ریز بودند و سپس با استفاده از تکنیک تابش ریزامواج فوق سریع، آن را به چیزی تبدیل کردند که تحت عنوان دی سدیم ترافتالات می شناسیم. این مولکول ارگانیک کوچک برای مدتی طولانی به عنوان یک ماده ایده آل برای قطب مثبت باتری ها در نظر گرفته شده و علت موضوع، عملکرد الکتروشیمیایی قدرتمندش است.

دوست شدن با گرانش

یک راه چاره نویدبخش برای ذخیره سازی انرژی های تجدیدپذیر در ابعاد وسیع، احتمالا به یاری نیروی گرانش امکان پذیر شود. کمپانی اسکاتلندی Gravitricity در حال توسعه یک سیستم ذخیره سازی انرژی جدید است که از مجموعه ای از وزنه های غول آسا، بکسل های قدرتمند و کابل هایی که همه چیز را کنار یکدیگر نگه می دارند تشکیل شده. هنگام احتیاج به انرژی، این وزنه ها به درون یک لوله می افتند و بکسل ها را به حرکت در می آورند، در نتیجه الکتریسیته فراوری می شود.

تمام این فرایند در عرض 15 دقیقه طی می شود اما می تواند تا سقف 8 ساعت نیز ادامه یابد و پیک خروجی 1 الی 20 مگاوات را با خود به ارمغان آورد. به این ترتیب اکنون یک راه چاره کم هزینه و طولانی مدت برای فراوری انرژی داریم و Gravitricity همین حالا مشغول به انتها رساندن کار توسعه نسخه پروتوتایپ تکنولوژی اش است تا تست کامل آن را اواخر 2021 اجرایی کند.

اندکی گرافین برای مقاومت بیشتر

در ماه ژوئن یک مثال دیگر از باتری های حالت جامد را مشاهده کردیم که این بار سطحی تحسین برانگیز از مقاومت را به نمایش در می آورند. در این باتری، الکترولیت مایع جای خود را به الکترولیت جامد می دهد و هدف غایی، ساخت باتری هایی با تراکم انرژی بیشتر است. اما استفاده از این ماده گاهی به ترک خوردن یا فرسایش باتری منجر می شود.

تیمی از محققین دانشگاه براون در صدد حل این مشکل برآمدند و آغاز 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 مقاوم ترین ماده ای است که تا به امروز درون یک باتری به کار رفته.

آنچه این پژوهش را جالب تر می نماید اینست که گرافین شدیدا رسانای الکتریسیته به حساب می آید و این خصیصه ای ایده آل برای الکترولیت یک باتری نیست و رسانایی باید فقط برای یون ها باشد. اما با اندک نگه داشتن مقادیر گرافین، تیم دانشگاه براون توانسته به نقطه تعادلی بی نظیر از رسانایی الکتریکی و سرسختی دیده نشده دست یابد.

سریع ترین الکترودهای جهان

تمام باتری ها یک جفت الکترود در خود دارند که کاتد (منفی) و آند (مثبت) نامیده می شود و جریان الکتریکی از میان شان عبور می نماید. ساختار این الکترودها معمولا شلخته است و یون های حامل شارژ را مجبور می نماید تا از درون هزارتویی درهم پیچیده عبور نمایند. حالا شرکت Nawa از ورژن خودش از یک الکترود رونمایی نموده که مسیری بسیار سرراست تر در اختیار یون ها قرار می دهد.

این الکترود ساختاری عمودی و هم تراز دارد که طراحی شانه سر را یادآوری می نماید. هزاران میلیارد لوله کربنی در ابعاد نانو و با خاصیت رسانایی فراوان رو به بالا چیده شده اند و لایه ای از مواد فعال مانند لیتیوم-یون، آن ها را پوشانده. این ساختار عملا نقش یک بزرگراه را برای یون ها ایفا می نماید و به آن ها اجازه می دهد به شکلی بهینه تر وارد باتری و از آن خارج شوند.

از نظر کاربرد در جهانی واقعی، کمپانی مورد اشاره می گوید که الکترودها فوق سریعش می توانند نرخ شارژ و تخلیه باتری را تا 10 برابر سریع تر نمایند و این یعنی احتمالا می توان در عرض 5 دقیقه، منتظر پر شدن 80 درصد از ظرفیت باتری بود. تراکم انرژی از سوی دیگر تا 2 الی 3 برابر بیشتر می شود و هزینه فراوری هم ارزان است.

tafreh.ir: طفره | نگاه نقادانه به اخبار و رویدادهای روزانه

manotosport.ir: ورزش من و تو | مجله خبری و ورزشی، اخبار ورزشی

spaceweb.ir: مجله فضای وب | مجله فناوری های کابردی در گردشگری و مسافرتی

منبع: جام جم آنلاین
انتشار: 20 آبان 1400 بروزرسانی: 20 آبان 1400 گردآورنده: kurdeblog.ir شناسه مطلب: 128499

به "نگاهی به پیشرفتهای چشمگیر فناوری باتری در سال 2020" امتیاز دهید

امتیاز دهید:

دیدگاه های مرتبط با "نگاهی به پیشرفتهای چشمگیر فناوری باتری در سال 2020"

* نظرتان را در مورد این مقاله با ما درمیان بگذارید