سه فناوری باتری که می تواند آینده را تامین کند

جهان به قدرت بیشتری نیاز دارد، ترجیحاً به شکلی که پاک و قابل تجدید باشد.استراتژی‌های ذخیره‌سازی انرژی ما در حال حاضر توسط باتری‌های لیتیوم یون شکل می‌گیرند - در لبه‌ی پیشرفته‌ی چنین فناوری - اما در سال‌های آینده چه چیزی می‌توانیم منتظر باشیم؟

بیایید با برخی از اصول اولیه باتری شروع کنیم.باتری مجموعه ای از یک یا چند سلول است که هر کدام دارای یک الکترود مثبت (کاتد)، یک الکترود منفی (آند)، یک جداکننده و یک الکترولیت است.استفاده از مواد شیمیایی و مواد مختلف برای این موارد بر ویژگی‌های باتری تأثیر می‌گذارد - چه مقدار انرژی می‌تواند ذخیره و تولید کند، چه مقدار انرژی می‌تواند تأمین کند یا تعداد دفعاتی که می‌تواند تخلیه و شارژ شود (که ظرفیت دوچرخه‌سواری نیز نامیده می‌شود).

شرکت‌های تولید باتری دائماً در حال آزمایش هستند تا مواد شیمیایی ارزان‌تر، متراکم‌تر، سبک‌تر و قدرتمندتر را بیابند.ما با پاتریک برنارد - مدیر تحقیقات Saft صحبت کردیم که سه فناوری باتری جدید با پتانسیل تحول آفرین را توضیح داد.

باتری های لیتیوم یون نسل جدید

چیست؟

در باتری‌های لیتیوم یون (لیتیوم یون)، ذخیره و آزادسازی انرژی با حرکت یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت به منفی از طریق الکترولیت به عقب و جلو انجام می‌شود.در این فناوری، الکترود مثبت به عنوان منبع اولیه لیتیوم و الکترود منفی به عنوان میزبان لیتیوم عمل می کند.چندین ماده شیمیایی تحت عنوان باتری‌های لیتیوم یون جمع‌آوری شده‌اند که حاصل دهه‌ها انتخاب و بهینه‌سازی نزدیک به کمال مواد فعال مثبت و منفی است.اکسیدهای فلز لیتی شده یا فسفات ها رایج ترین موادی هستند که به عنوان مواد مثبت فعلی استفاده می شوند.گرافیت، اما همچنین گرافیت/سیلیکون یا اکسیدهای تیتانیوم لیتیه شده به عنوان مواد منفی استفاده می شود.

با استفاده از مواد واقعی و طرح‌های سلولی، انتظار می‌رود فناوری لی-یون در سال‌های آینده به حد مجاز انرژی برسد.با این وجود، اکتشافات اخیر خانواده‌های جدید مواد فعال مخرب باید محدودیت‌های فعلی را باز کند.این ترکیبات ابتکاری می توانند لیتیوم بیشتری را در الکترودهای مثبت و منفی ذخیره کنند و برای اولین بار امکان ترکیب انرژی و نیرو را فراهم می کنند.علاوه بر این، با این ترکیبات جدید، کمیاب بودن و بحرانی بودن مواد اولیه نیز مورد توجه قرار می گیرد.

مزایای آن چیست؟

امروزه، در میان تمام فناوری‌های ذخیره‌سازی پیشرفته، فناوری باتری لیتیوم یون بالاترین سطح چگالی انرژی را می‌دهد.عملکردهایی مانند شارژ سریع یا پنجره عملیاتی دما (50- درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) را می توان با انتخاب بزرگ طراحی سلول و مواد شیمیایی تنظیم کرد.علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم یون مزایای دیگری مانند تخلیه خود بسیار کم و عملکرد بسیار طولانی و عمر طولانی و دوچرخه‌سواری، معمولاً هزاران چرخه شارژ/دشارژ را نشان می‌دهند.

چه زمانی می توانیم انتظارش را داشته باشیم؟

انتظار می رود نسل جدید باتری های لیتیوم یون پیشرفته قبل از نسل اول باتری های حالت جامد به کار گرفته شوند.آنها برای استفاده در برنامه هایی مانند سیستم های ذخیره انرژی ایده آل خواهند بودانرژی های تجدید پذیرو حمل و نقل (دریایی، راه آهن،هواپیماییو تحرک خارج از جاده) که در آن انرژی بالا، قدرت بالا و ایمنی اجباری است.

باتری های لیتیوم-گوگرد

چیست؟

در باتری‌های لیتیوم یون، یون‌های لیتیوم در مواد فعال ذخیره می‌شوند که به عنوان ساختار میزبان پایدار در طول شارژ و تخلیه عمل می‌کنند.در باتری های لیتیوم سولفور (Li-S) هیچ ساختار میزبانی وجود ندارد.در حین تخلیه، آند لیتیوم مصرف می شود و گوگرد به انواع ترکیبات شیمیایی تبدیل می شود.در طول شارژ، فرآیند معکوس انجام می شود.

مزایای آن چیست؟

یک باتری Li-S از مواد فعال بسیار سبک استفاده می کند: گوگرد در الکترود مثبت و لیتیوم فلزی به عنوان الکترود منفی.به همین دلیل است که چگالی انرژی نظری آن فوق‌العاده بالا است: چهار برابر بیشتر از چگالی انرژی لیتیوم-یون.این باعث می شود که برای صنایع هوانوردی و فضایی مناسب باشد.

Saft امیدوار کننده ترین فناوری Li-S مبتنی بر الکترولیت حالت جامد را انتخاب کرده است.این مسیر فنی چگالی انرژی بسیار بالا، عمر طولانی را به ارمغان می آورد و بر معایب اصلی Li-S مبتنی بر مایع (عمر محدود، تخلیه خود بالا، ...) غلبه می کند.

علاوه بر این، این فناوری به دلیل چگالی انرژی گرانشی برتر (+30٪ در Wh/kg) مکمل لیتیوم یون حالت جامد است.

چه زمانی می توانیم انتظارش را داشته باشیم؟

موانع اصلی فناوری قبلاً برطرف شده اند و سطح بلوغ بسیار سریع به سمت نمونه های اولیه در مقیاس کامل پیش می رود.

برای کاربردهایی که به عمر باتری طولانی نیاز دارند، انتظار می رود این فناوری درست پس از لیتیوم یون حالت جامد به بازار برسد.

باتری های حالت جامد

چیست؟

باتری های حالت جامد نشان دهنده یک تغییر پارادایم از نظر فناوری هستند.در باتری‌های لیتیوم یونی مدرن، یون‌ها از یک الکترود به الکترود دیگر در الکترولیت مایع حرکت می‌کنند (که رسانایی یونی نیز نامیده می‌شود).در باتری‌های کاملاً جامد، الکترولیت مایع با یک ترکیب جامد جایگزین می‌شود که با این وجود اجازه می‌دهد یون‌های لیتیوم درون آن مهاجرت کنند.این مفهوم بسیار جدید نیست، اما در طول 10 سال گذشته - به لطف تحقیقات فشرده در سراسر جهان - خانواده‌های جدیدی از الکترولیت‌های جامد با رسانایی یونی بسیار بالا، مشابه الکترولیت مایع، کشف شده‌اند که امکان غلبه بر این مانع تکنولوژیکی خاص را فراهم می‌کند.

امروز،سافتتلاش‌های تحقیق و توسعه بر 2 نوع ماده اصلی متمرکز است: پلیمرها و ترکیبات معدنی، با هدف هم افزایی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مانند فرآیندپذیری، پایداری، رسانایی…

مزایای آن چیست؟

اولین مزیت بزرگ، بهبود قابل توجه ایمنی در سطح سلول و باتری است: الکترولیت های جامد بر خلاف همتایان مایع خود در هنگام گرم شدن غیر قابل اشتعال هستند.دوم، استفاده از مواد نوآورانه و با ولتاژ بالا با ظرفیت بالا، امکان استفاده از باتری‌های متراکم‌تر و سبک‌تر را با ماندگاری بهتر در نتیجه کاهش خود تخلیه می‌دهد.علاوه بر این، در سطح سیستم، مزایای بیشتری مانند مکانیک ساده و همچنین مدیریت حرارتی و ایمنی را به همراه خواهد داشت.

از آنجایی که باتری ها می توانند نسبت قدرت به وزن بالایی را نشان دهند، ممکن است برای استفاده در خودروهای الکتریکی ایده آل باشند.

چه زمانی می توانیم انتظارش را داشته باشیم؟

با ادامه پیشرفت تکنولوژی، احتمالاً انواع مختلفی از باتری‌های حالت جامد به بازار می‌آیند.اولین مورد باتری های حالت جامد با آندهای مبتنی بر گرافیت است که عملکرد انرژی و ایمنی را بهبود می بخشد.با گذشت زمان، فن‌آوری‌های باتری سبک‌تر حالت جامد با استفاده از آند لیتیوم فلزی باید به صورت تجاری در دسترس قرار گیرند.