محققان دانشگاه هاروارد یک باتری حالت جامد ساخته‌اند که در ده دقیقه شارژ می‌شود و 30 سال دوام می‌آورد، اما این فناوری که بسیار شایعه‌شده است، راه‌حلی برای انتقال انرژی باقی می‌ماند.
مردم به آرامی اما مطمئناً وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) را در آغوش می گیرند، اما سرعت این انتقال همچنان باید تسریع شود تا جهان به هدف انتشار آلایندگی خالص خود در سال 2050 برسد. در نظرسنجی Ipsos Mori در سال گذشته، علاوه بر هزینه، نگرانی‌ها در مورد کمبود ایستگاه‌های شارژ و عمر باتری به‌عنوان موانع اصلی برای مصرف‌کنندگان آمریکایی برای خرید خودروهای الکتریکی ذکر شد. برای سازندگان خودرو، بسیاری از این موارد به محدودیت‌های مداوم در برد و طول عمر باتری‌های لیتیوم یون فعلی (Li-ion) زیر کاپوت خودروهای الکتریکی مربوط می‌شود.
با این حال، تیمی از دانشمندان دانشگاه هاروارد بر این باورند که گام مهمی در جهت حل این معماها برداشته اند. محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی (SEAS) روش جدیدی را توسعه داده اند "حالت جامد" باتری که می تواند در مدت زمانی که طول می کشد تا یک مخزن بنزین پر شود شارژ شود و 3 تا 6 برابر چرخه های شارژ بیشتری را نسبت به باتری EV معمولی تحمل کند.
باتری‌های حالت جامد مدت‌هاست جام مقدس برای انتقال گسترده به حمل‌ونقل الکتریکی در نظر گرفته می‌شوند و مسابقه تجاری‌سازی آنها در سال‌های اخیر سرعت گرفته است. شرکت‌هایی مانند تویوتا و فولکس واگن در حال توسعه نسخه‌های خود هستند که امیدوارند تا پایان این دهه وارد خودروها شوند. با تقویت این جدیدترین نوآوری از هاروارد، آیا باتری های حالت جامد در نهایت آماده هستند تا به تبلیغات خود ادامه دهند؟
مزایای الکترولیت جامد نسبت به مایع
امروزه باتری‌های لیتیوم یونی بر همه چیز حکمرانی می‌کنند. آنها در همه چیز از تلفن همراه و لپ تاپ گرفته تا خودروهای برقی و سیستم های ذخیره انرژی استفاده می شوند. محققان و سازندگان در دهه گذشته قیمت باتری‌های لیتیوم یونی را 90 درصد کاهش داده‌اند و معتقدند که می‌توانند آنها را همچنان ارزان‌تر کنند. آنها همچنین معتقدند که می توانند باتری لیتیومی حتی بهتری بسازند.
این باتری ها از یک الکترولیت مایع برای جابجایی یون ها بین کاتد و آند هنگام تخلیه و شارژ استفاده می کنند. با این حال، این مایع قابل اشتعال است و از اضافه شدن موادی که عمر باتری را افزایش می دهد جلوگیری می کند. محققان معتقدند یک راه حل استفاده از جامد به جای الکترولیت مایع است.
این باتری‌های حالت جامد نسبت به باتری‌های مبتنی بر مایع خود، مزایای بسیار متنوعی را ارائه می‌دهند. مهمتر از همه، آنها چگالی انرژی بالاتری ارائه می دهند. به این معنی که آنها می توانند انرژی بیشتری را در واحد حجم یا وزن ذخیره کنند که منجر به عمر باتری طولانی تر یا بسته های باتری کوچکتر و سبک تر می شود. آنها همچنین وعده عمر چرخه طولانی تر را می دهند. تحمل چرخه های شارژ و دشارژ بیشتر بدون تخریب، در نتیجه طول عمر باتری را افزایش می دهد. استفاده از یک الکترولیت جامد همچنین به دلیل انتقال کارآمدتر یون، شارژ بسیار سریع‌تر را بدون خطر آسیب باتری ممکن می‌سازد.
باتری‌های حالت جامد می‌توانند در محدوده دمایی وسیع‌تری نسبت به باتری‌های مبتنی بر مایع کار کنند و امکان استفاده بهتر در آب‌وهوای شدید را فراهم می‌کنند. آنها به طور کلی ایمن تر در نظر گرفته می شوند زیرا یک الکترولیت جامد خطر اتصال کوتاه و گرمای بیش از حد را کاهش می دهد که می تواند منجر به آتش سوزی یا انفجار در باتری های مایع شود. در نهایت، الکترولیت جامد را می توان از طیف وسیع تری از مواد ارزان تر و سازگار با محیط زیست ساخت.
به طور کلی، باتری‌های حالت جامد این پتانسیل را دارند که با ارائه عملکرد، ایمنی و طول عمر بهبود یافته در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی، صنعت باتری را متحول کنند. تئو لومبارد، مدل‌ساز انرژی برای حمل و نقل در آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) می‌گوید: «به دلیل چگالی انرژی بالا، باتری‌های حالت جامد برای خودروهای الکتریکی مناسب‌تر هستند تا سیستم‌های ذخیره انرژی [ایستا] و واقعاً می‌توانند نقش کلیدی در برق‌رسانی حمل‌ونقل سنگین داشته باشند».
"یک جهش به جلو" در طراحی باتری حالت جامد
محققان SEAS یک باتری به اندازه تمبر پستی را با استفاده از طرح "سلول کیسه ای" به جای نوع معمولی "سلول سکه ای" توسعه دادند. باتری پس از 80 چرخه شارژ 6,000 درصد ظرفیت خود را حفظ کرد و در دمای پایین عملکرد خوبی داشت. این باتری از دیگر باتری‌های حالت جامد بهتر عمل کرد زیرا محققان راهی برای ساخت آن با آند فلزی لیتیوم پیدا کردند که ده برابر ظرفیت آند معمولی گرافیت دارد.
طرح جدید چند لایه و چند ماده ای توانست بر مشکل فراگیر "دندریت ها" غلبه کند - ساختارهای ریشه مانند که از سطح آند به الکترولیت رشد می کنند. اینها می توانند مانع جداکننده کاتد مقابل را سوراخ کرده و باتری را به اتصال کوتاه و گاهی آتش گرفتن سوق دهند.
طول عمر طولانی باتری - معادل حدود 30 سال - می تواند به طور قابل توجهی هزینه خودروهای الکتریکی را کاهش دهد، در حالی که توانایی شارژ باتری در عرض چند دقیقه به آن چگالی انرژی استثنایی می دهد که می تواند برای سایر برنامه ها مناسب باشد.
ما توانستیم باتری را در 5 تا 10 دقیقه برای 6,000 چرخه شارژ کنیم. Xin Li، دانشیار علم مواد در SEAS و محقق اصلی این پروژه می‌گوید: معمولاً باتری‌های EV چند ساعت طول می‌کشد تا شارژ شوند و بین 1,000 تا 2,000 چرخه دارند. تحقیقات ما همچنین نشان می دهد که می توانید از مواد دیگری مانند نقره، منیزیم یا سیلیکون به عنوان آند استفاده کنید. قطعاً این یک جهش به سمت افزایش تولید انبوه باتری‌های حالت جامد است.»
"از آزمایشگاه تا دنیای واقعی"
با این حال همه متقاعد نشده اند. لومبارد می‌گوید: «چالش کنونی باتری‌های حالت جامد، پیاده‌سازی و افزایش مقیاس است، به‌جای اینکه چیزی حتی بهتر در سطح سلولی بدست آید.
از منظر مهندسی، چالشی که صنعت هنوز بر آن غلبه نکرده است، ساخت یک بسته باتری حالت جامد است که قادر به تحمل فشار بسیار بالا است و در عین حال قادر به "نفس کشیدن" - انبساط و انقباض است. لومبارد می‌گوید: «راه‌حل این مشکل می‌تواند دستاوردهای چگالی انرژی باتری‌های حالت جامد را نفی کند، بنابراین این سؤالی است که صنعت باید در سال‌های آینده از طریق فرآیند افزایش مقیاس به آن پاسخ دهد.»
از منظر ایمنی، مشکل دیگری که سازندگان حالت جامد باید بر آن غلبه کنند این است که حتی اگر باتری حالت جامد هنگام اتصال کوتاه آتش نگیرد، سایر مواد موجود در موتور ممکن است. لومبارد می گوید: "باز هم، این یک چالش مهندسی است که باید در سطح صنعتی آزمایش و تایید شود."
در نهایت، مانع قابل توجهی برای ایجاد یک زنجیره تامین برای باتری های حالت جامد وجود دارد. به گفته لومبارد، زنجیره تامین باتری به مواد با کیفیت بالا در حجم بسیار بالا نیاز دارد، زیرا باتری حتی با مقدار ناچیزی از آلاینده‌ها کار نمی‌کند. او می‌گوید: «ساخت آن زمان زیادی طول می‌کشد. این همچنین به این دلیل است که میدان باتری گسترده‌تر به‌طور تصاعدی در حال رشد است، بنابراین حالت جامد وارد بازار ثابتی نمی‌شود، بلکه به بازاری وارد می‌شود که در آن هر فناوری - از جمله باتری‌های لیتیوم یون سنتی - به سرعت در حال پیشرفت است و شما باید فضایی را در آن به دست آورید.»
برای لومبارد، موفقیت باتری‌های حالت جامد از طریق پیشرفت‌های آکادمیک جدید به دست نمی‌آید - او هشدار می‌دهد «هرچند این مطالعه مهم است» - بلکه بیشتر این است که چگونه صنعت چالش‌های مهندسی باقی مانده را حل می‌کند و زنجیره تأمین مرتبط را توسعه می‌دهد.
او می‌گوید: «باتری‌های حالت جامد پتانسیل‌های زیادی دارند، اما اینکه صنعت چگونه این چالش‌های [مهندسی] را حل می‌کند، تعیین می‌کند که آیا آنها بازار باتری‌های EV را تسخیر می‌کنند یا اینکه یک برنامه کاربردی برای خودروها و کامیون‌های مسافت طولانی باقی می‌مانند.
بر اساس تحقیقات اخیر Focus، یک پلت فرم تجزیه و تحلیل هوش مصنوعی که پیشرفت های تکنولوژیکی را بر اساس داده های ثبت اختراع جهانی پیش بینی می کند، فناوری باتری های حالت جامد با نرخ 31 درصد نسبت به سال گذشته بهبود می یابد. اگرچه قابل توجه است، اما در حال حاضر سرعت کافی برای ایجاد اختلال در کارخانجات فعلی نیست - با بهبود باتری های لیتیوم یونی با 30.5٪ مشابه.
آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی کرده است که باتری‌های حالت جامد نقش مهمی در انتقال خالص صفر خواهند داشت، به‌ویژه برای کربن زدایی حمل‌ونقل سنگین از طریق کاربردهایی مانند کامیون‌های برقی. لومبارد می‌گوید: «اما مهم است که صنعت را بیش از حد یا کمتر تبلیغ نکنیم. او پیش‌بینی می‌کند که اگر باتری‌های حالت جامد موفق شوند پتانسیل خود را برآورده کنند، در دهه 2030 خواهد بود. "در حال حاضر، آنها واقعاً باید از آزمایشگاه به دنیای واقعی منتقل شوند."
به نوبه خود، لی معتقد است تا زمانی که حالت جامد به جریان اصلی تبدیل شود، حدود سال 2030 خواهد بود. او می‌گوید: «پیش از آن، هنوز موانع فنی زیادی برای غلبه بر وجود دارد. پیشرفت‌های [اخیر] لزوماً تاریخ 2030 را به جلو نمی‌آورد، بلکه آن تاریخ را ممکن می‌سازد.»
منبع از فقط خودکار
سلب مسئولیت: اطلاعات ذکر شده در بالا توسط just-auto.com مستقل از Chovm.com ارائه شده است. Chovm.com هیچ گونه نمایندگی و ضمانتی در مورد کیفیت و قابلیت اطمینان فروشنده و محصولات نمی دهد.
