باتریهای حالت جامد؛ نسل آینده باتری موبایل و خودروهای برقی
قطعه نیوز: اگرچه خودروهای الکتریکی از جنبه‌های گوناگون نظیر برد حرکتی، عملکرد فنی و مدت زمان فرآیند شارژ پیوسته در حال ارتقاء هستند، اما هنوز جای زیادی برای بهبود باقی مانده است.
در زمانی که شمار خودروهای هیبریدی با افزایش روبروست، اتومبیل‌های برقی هنوز آماده شکست و حذف کامل پیشرانه‌های احتراقی نیستند. خودروهای برقی و هیبریدی هردو از باتریهای لیتیوم یونی که در لپ‌تاپ‌ها و اسمارت فون‌ها استفاده می‌شود، نیرو می‌گیرند.
اگرچه باتریهای لیتیوم یون یک تحول شگرف در عرضه باتریهای شیمیایی به حساب می‌آیند اما راه‌حل‌های بهتری نیز در این زمینه وجود دارد؛ چرا که به‌کارگیری الکترولیت مایع در باتریهای لیتیوم یون مضرات فراوانی به دنبال داشته است.
ظرفیت و توانایی این باتری‌ها نیز به جهت ارائه حداکثر شارژ به مرور زمان دچار نقصان می‌شود؛ همچنین باتریهای لیتیوم یونی گرمای زیادی تولید می‌کنند که همین مسئله به‌کارگیری سامانه‌های خنک‌کننده سنگین‌وزن را در خودروها اجتناب‌ناپذیر می‌کند. در ضمن به دلیل وجود مایع اشتعال‌پذیری در باتریهای لیتیوم یون، احتمال آتش‌سوزی و حتی انفجار آنها در تصادفات وجود خواهد داشت.
اخیرا برخی از خودروسازان از باتریهای حالت جامد به عنوان جایگزین نمونه‌های لیتیوم یونی نام می‌برند و به عملکرد فنی بهتر و رنج بالاتر آنها اشاره می‌کنند. اما چه چیزی باعث شده تا باتریهای حالت جامد اینقدر برای خودروهای الکتریکی مناسب به نظر برسند و اینکه آیا آنها در عمل همانقدر مفید به فایده هستند؟
باتری حالت جامد چیست؟
همانطور که از اسم این باتری‌ها مشخص است، باتریهای حالت جامد به جای الکترولیت مایع از مواد جامد نظیر سرامیک‌ها، شیشه، سولفات و پلیمر جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند.
جدا از الکترولیت جامد، سایر بخش‌های باتری‌ها حالت جامد همچون آند و کاتد و نحوه انتقال الکترون و یون‌های باردار درون این باتری‌ها تفاوت چندانی با انواع لیتیومی فعلی ندارد.
باتریهای حالت جامد چگونه کار می‌کنند؟
باتریهای حالت جامد تقریبا مشابه با یک باتری عادی عمل می‌کنند. جریان یون‌ها موجب یک واکنش شیمیایی میان مواد درون باتری به نام redox می‌شوند؛ در آنجا آند دچار اکسیداسیون شده و ترکیباتی با الکترون آزاد را تشکیل می‌دهد که انرژی الکتریکی را تولید کردخ و یون‌های منفی به سمت کاتد به عنوان قطب مثبت حرکت می‌کنند.
اما الکترون‌ها درون الکترولیت قابلیت حرکت ندارند و باید از یک مدار خارجی عبور کنند و می‌توان آنها را به هر جا که لازم است فرستاد که اینجا یک موتور الکتریکی است. در حالت شارژ این عمل به صورت عکس اتفاق افتاده و الکترون‌ها به سمت آند فرستاده می‌شوند.
لازم به ذکر است باتریهای حالت جامد از قبل مورد استفاده قرار گرفته‌اند اما تنها در لوازم کوچک نظیر برچسب‌هایRFID به کار رفته‌اند که البته فرم فعلی آنها از نوع غیرقابل شارژ است. گفته شده کارهایی برای استفاده گسترده‌تر از باتریهای حالت جامد در لوازم بزرگتر در دست انجام است.
باتریهای حالت جامد چه مزایایی دارند؟
به لطف ابعاد جمع و جورتر و فشردگی بیشتر باتریهای حالت جامد، این منابع تغذیه قادر به ذخیره ۲ تا ۱۰ برابر انرژی بیشتر نسبت به باتریهای لیتیوم یونی با سایز مشابه هستند. این سخن به معنای باتری پرقدرت‌تر بدون اشتغال فضای اضافی یا باتری کوچکتر بدون کاهش ظرفیت توان است.
بنابراین خودروهای برقی پرقدرت‌تر با برد حرکت بیشتر، وزن کمتر و ابعاد جمع‌وجورتر را در پی خواهند داشت. همچنین باتریهای حالت جامد با سرعت بالاتر شارژ خواهند شد. همچنین کارایی بالاتر باتریهای حالت جامد موجب حذف سامانه‌های خنک‌کننده و سیستم نظارتی کنترل‌گر شده و فضای کمتری را در شاسی به خود اختصاص می‌دهند. برخی خودروسازان سطح بالاتر نظیر بنتلی نیز باتریهای حالت جامد را راه‌حل اصلی تولید محصولات الکتریکی خود می‌دانند.
امنیت یکی دیگر از نقاط قوت باتری حالت جامد است؛ واکنش‌های گرماده در باتریهای لیتیوم یون موجب داغ شدن آنها می‌شوند و خطر ترکیدن و نشت مایع قابل اشتعال و خطرناک الکترولیت را به دنبال دارند. در برخی موارد انفجارهای کوچک نیز رخ داده است.
باتری حالت جامد این مشکلات را برطرف خواهد کرد. همچنین باتریهای حالت جامد از توانایی تحمل دوره‌های بیشتر شارژ و دشارژ برخوردار هستند و عمرشان طولانی‌تر از باتریهای لیتیوم یون است، چراکه الکترودهای آنها از خوردگی ناشی از مواد شیمیایی موجود در الکترولیت مایع رنج نمی‌برند.
در ضمن لایه‌های جامدی که در الکترولیت مایع تشکیل شده و عمر باتری را کاهش می‌دهند نیز در اینجا حضور نخواهند داشت. بدین ترتیب باتریهای حالت جامد تا ۷ برابر بیشتر قابل استفاده هستند و عمر مفید آنها بیش از ۱۰ سال خواهد بود که دو برابر عمر مفید باتریهای لیتیوم یون است.
از معایب باتریهای حالت جامد چیست؟
شاید برایتان عجیب باشد با تمام محاسنی که باتریهای جامد از آن برخوردار هستند، پس چرا زودتر مورد استفاده قرار نگرفته‌اند؟
چالش اصلی در بکارگیری باتریهای حالت جامد فرآیند بسیار دشوار تولید آنها در مقیاس صنعتی است؛ نه تنها تولید گسترده باتریهای حالت جامد بسیار هزینه‌بر و گران است، بلکه هنوز کارهای زیادی برای آماده‌سازی آنها به جهت استفاده در مقاصد تجاری باقیمانده است.
همچنین هنوز به ترکیب شیمیایی و اتمی صحیح الکترولیت جامد به منظور تامین قوای لازم جهت راه‌اندازی یک خودروی الکتریکی دست پیدا نکرده‌ایم. بنابراین باید بگوییم که باتریهای حالت جامد در واقع هنوز در حالت عملی بر روی یک خودروی الکتریکی مورد سنجش قرار نگرفته‌اند.
رسیدن به ترکیب صحیح الکترولیت جامد بسیار مهم است چرا که باید اجازه استفاده از آندهای لیتیومی را بدهد. بدین ترتیب یون‌های لیتیومی بیشتر و در نتیجه انرژی بالاتری تولید خواهد شد. همچنین مشکل تشکیل دندریت‌های مضر روی آند باتریهای لیتیوم یونی نیز احتمالا حل خواهند شد.
در پایان باید به اطلاع برسانیم که در شرایط فعلی تیم‌های پژوهشی شرکت‌های نیسان، هوندا و تویوتا مشغول کار بر روی توسعه باتری حالت جامد جهت ارائه یک خودرو تمام الکتریکی در بازی‌های المپیک توکیو هستند. همچنین شرکت‌هایی نظیر IBM و دایملر نیز همکاری‌هایی را در این زمینه شروع کرده‌اند.
شرکت پاناسونیک هم به عنوان یکی از معتبرترین تولیدکنندگان باتری جهان اعلام کرده که احتمالا حدود ده سال تا تجاری‌سازی باتریهای حالت جامد فاصله خواهیم داشت. به هر حال به نظر می‌رسد که باتریهای حالت جامد اگرچه کمی دور از دسترس هستند اما احتمالا نسل آینده باتریهای خودروهای برقی را تشکیل خواهند داد.
منبع: دیجیاتو