ابداع باتری آلومینومی فوق سریع و قابل انعطاف
پژوهشگران می‌گویند این فناوری جدید می‌تواند جایگزین ایمنی برای بسیاری از باتری‌های تجاری مورد استفاده روزانه باشد.
هونجی دای، استاد شیمی دانشگاه استنفورد می‌گوید: «ما یک باتری قابل شارژ آلومینیومی ابداع کرده‌ایم که ممکن است جایگزین ادوات ذخیره ساز انرژی موجود، مانند باتری‌های قلیایی، که برای محیط زیست خطرساز هستند، و باتری‌های لیتیوم-یونی، که گاهی اوقات آتش‌سوزی به بار می‌آورند، شود. این باتری جدید به هیچ وجه آتش نمی‌گیرد، حتی اگر آن را سوراخ کنند.»
دای و همکارانش مزایا و مشخصات باتری آلومینیوم-یونی جدید خود را با عنوان «باتری آلومینیوم-یون قابل شارژ فوق سریع»، در مقاله‌ای که به تازگی در پیش نسخه آنلاین مجله نیچر منتشر شده است توصیف کردند.
آلومینیوم عمدتا به دلیل هزینه پایین، اشتعال‌‌پذیری کم و ظرفیت بسیار بالای ذخیره‌سازی بار، از مدت‌ها قبل به یک ماده جذاب برای ساخت باتری‌ها تبدیل شده است. چندین دهه بود که پژوهشگران در تلاش برای توسعه باتری آلومینیوم-یونی تجاری و مقرون به صرفه ناکام مانده بودند و چالش کلیدی آنها یافتن ماده‌ای بود که قادر به تولید ولتاژ کافی پس از چرخه‌های تکرار شونده شارژ و تخلیه بار باشد.
کاتد گرافیتی
باتری آلومینیوم-یونی شامل دو الکترود است که یکی آند با بار منفی است که از جنس آلومینیوم ساخته شده است و دیگری کاتد است که بار مثبت دارد.
دای می‌گوید: «دانشمندان انواع مختلفی از مواد را برای کاتد به کار برده‌اند، اما ما به طور تصادفی کشف کردیم که راه حل ساده استفاده از گرافیت است که اساسا نوعی کربن است. ما در این مطالعه انواع مختلفی از مواد گرافیتی را شناسایی کردیم که عملکرد بسیار خوبی دارند.»
تیم استنفورد در باتری آزمایشی خود آند آلومینیومی و کاتد گرافیتی را همراه با یک الکترولیت مایع یونی در داخل یک کیسه پوشش داده شده از پلیمر قابل انعطاف قرار دادند.
مینگ گونگ دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه استنفورد و از سرپرستان جنبش مطالعه طبیعت می‌گوید: «الکترولیت اساسا نمکی است که در دمای اتاق مایع است و در نتیجه بسیار ایمن خواهد بود.»
دای در ادامه می‌گوید: «باتری‌های آلومینیومی ایمن‌تر از باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی مورد استفاده در میلیون‌ها لپ‌تاپ و تلفن همراه امروزی هستند و باتری‌های لیتیوم-یونی در حقیقت خطر بالقوه آتش‌سوزی به حساب می‌آیند.»
او به عنوان مثال به تصمیمات اخیر شرکت‌های هوایی یونایتد و دلتا مبنی بر ممنوعیت محموله باتری‌های لیتیومی فله‌ای در هواپیماهای مسافربری اشاره می‌کند.
دای می‌گوید: «ما در تحقیق خود فیلم‌هایی ارائه دادیم که نشان می‌دهند می‌توان کیسه باتری آلومینیومی را با مته سوراخ کرد اما باتری برای مدت طولانی و بدون آتش گرفتن به کار خود ادامه خواهد داد. اما باتری‌های لیتیومی ممکن است به شیوه‌ای غیر قابل پیش‌بینی در هوا، ماشین و یا در جیب فرد آتش بگیرند. علاوه بر ایمنی، ما به پیشرفت‌های عمده‌ای در عملکرد باتری آلومینیومی دست پیدا کرده‌ایم.»
یکی از آن نمونه‌ها قدرت شارژ فوق‌العاده سریع است. صاحبان گوشی‌های هوشمند می‌دانند که برای شارژ کردن یک باتری لیتیوم-یونی ساعت‌ها زمان لازم است. اما تیم استنفورد ادعا می‌کنند که «زمان شارژ بی‌نظیری» را با کاهش این مدت به یک دقیقه در نمونه‌های اولیه باتری آلومینیومی کسب کرده‌اند.
دوام در نگه داشتن بار یکی دیگر از فاکتورهای مهم است. باتری‌های آلومینیومی توسعه یافته در آزمایشگاه معمولا تنها پس از 100 چرخه شارژ و تخلیه خراب می‌شوند. اما باتری استنفورد قادر به مقاومت در برابر بیش از 7500 چرخه، بدون از دست دادن ظرفیت اولیه است. پژوهشگران استنفورد معتقدند: «این اولین بار است که باتری آلومینیوم-یونی فوق‌العاده سریع با ثبات بیشتر از هزار چرخه ساخته شده است.»
در مقایسه، یک باتری لیتیوم-یونی معمولی حدود 1000 چرخه دوام می‌آورد. گونگ می‌گوید: «یکی دیگر از ویژگی‌های باتری آلومینیومی انعطاف‌پذیری آن است، شما می‌توانید آن را خم کنید و دو باره به حالت قبل برگردانید، به این ترتیب از این باتری می‌توان درادوات الکترونیکی قابل انعطاف استفاده کرد. به علاوه آلومینیوم فلز ارزان‌تری از لیتیوم است.»
کاربردها
دای می‌گوید: «علاوه بر دستگاه‌های کوچک الکترونیکی، باتری‌های آلومینیومی را می‌توان برای ذخیره انرژی‌های تجدید پذیر در شبکه برق استفاده کرد. شبکه برق نیاز به یک باتری با عمر طولانی در چرخه شارژ و دشارژ دارد که بتواند به سرعت انرژی را ذخیره و آزاد کند. آخرین اطلاعات منتشر نشده ما نشان می‌دهند که یک باتری آلومینیومی می‌تواند ده‌ها هزار بار شارژ شود در حالی که حتی تصور ساخت یک باتری بزرگ لیتیوم-یونی برای ذخیره‌سازی انرژی در شبکه نیز دشوار است.»
دای در ادامه می‌گوید: « فناوری آلومینیوم-یون یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای باتری‌های قلیایی یکبار مصرف به حساب می‌آید. میلیون‌ها مصرف کننده از باتری‌های 1.5 ولتی قلمی و نیم‌قلمی استفاده می‌کنند. باتری قابل شارژ آلومینیومی ما می‌تواند در حدود دو ولت برق تولید کند که این مقدار بالاتر از تمام باتری‌های آلومینیومی است که دانشمندان قبلا ساخته‌اند.»
او اضافه می‌کند: «اما ما به پیشرفت‌های بیشتری در زمینه ایجاد مطابقت با ولتاژ باتری‌های لیتیوم-یونی نیاز داریم. باتری ما حدود نیمی از ولتاژ باتری لیتیوم معمولی را تولید می‌کند، اما بهبود مواد کاتد در نهایت خواهد توانست ولتاژ و چگالی انرژی را افزایش دهد. در غیر اینصورت باتری ما هر فاکتور دیگری از جمله الکترود‌های ارزان، ایمنی خوب، سرعت بالای شارژ، انعطاف پذیری و چرخه عمر طولانی، که کاربر از یک باتری خوب انتظار دارد را تامین می‌کند. من این باتری را به عنوان یک محصول جدید می‌بینم که در روزهای اولیه کسب شهرت خود است و این برای من کاملا هیجان انگیز است.»
دیگر پژوهشگرانی که در این مطالعه به پژوهشگران دانشگاه استنفورد پیوستند دانشمندانی چون منگ چانگ لین از موسسه تحقیقات فناوری صنعتی تایوان، بینگان لو از دانشگاه هونان و محقق فوق دکترا یینگپنگ وو هستند. از دیگر نویسندگان این تحقیق می‌توان به دی-یان وانگ، مینگ یون گوان، مایکل انجل، شانگ‌چین چِن، جیانگ یانگ از دانشگاه استنفورد و بینگ-جو هوانگ از دانشگاه ملی تایوان اشاره کرد.
حمایت اصلی تحقیقات توسط وزارت انرژی آمریکا، موسسه تحقیقات فناوری صنعتی تایوان ، پروژه انرژی و آب‌وهوای جهانی دانشگاه استنفورد، موسسه انرژی پرکورت استنفورد و وزارت آموزش و پرورش تایوان ارائه شده است.
باتری قابل شارژ
باتری‌ها عمل ذخیره انرژی را از طريق واكنش‌های شيميايی بين الكترودهای فلزی و مايع الكتروليت انجام می‌دهند. از آنجا كه اين مواد شيميايی برای واكنش به زمان احتياج دارند، عمليات ذخيره سازی و آزادسازی انرژی به نسبت كند انجام می‌پذيرد. در نتيجه باتری‌ها انرژی زيادی ذخيره می‌كنند و آن را با مصرف مدت زمان نسبتا طولانی آزاد می‌كنند.
باتری قابل شارژ قلیایی که گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ است بر خلاف باتری‌های قلیایی معمولی قابلیت شارژ شوندگی مجدد را دارا هستند. این باتری‌ها نخستین بار در یک شرکت کانادایی تولید و عرضه شدند. از ویژگی‌های مهم این باتری‌ها می‌توان به زمان بالای نگه داری شارژ اشاره کرد. این باتری‌ها می‌توانند با یک بار شارژ تا چند سال شارژ را بدون استفاده نگه دارند در حالی که در نوع نیکل-کادمیم و نیکل-هیدرید فلز، به دلیل مقاومت‌های داخلی پیل، این مدت زمان بسیار کمتر است.
در باتری لیتیوم-یونی که خانواده دیگری از باتری‌های قابل شارژ است، در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می‌کنند. این باتری‌ها چگالی انرژی بالایی را فراهم می‌کنند که تقریبا دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل‌ـ کادمیم است و نیز به دشارژ کامل نیاز ندارند. همچنین می‌توان از جریان بالاتری برای شارژ و دشارژ بدون آسیب به باتری استفاده کرد و در هنگام دشارژ افت پتانسیل کمی دارند. تقریبا می‌توانید در هر زمانی یک باتری لیتیم -یونی را بی آنکه روی کارآیی آن تاثیر بگذارد شارژ کرد، اما چون باتری‌های لیتیم ـ یون معمولا دارای طول عمر شارژ-دشارژ هزار چرخه‌ای هستند اگر زود به زود و قبل از تخلیه کامل، این باتری شارژ شود طول عمر باتری پایین می‌آید. همچنین در صورت ادامه شارژ پس از پر شدن، باتری آسیب دیده و از عمر آن کاسته میشود به همین دلیل برای شارژ آنها از مدارهای محافظ هوشمند استفاده میشود تا پس از پر شدن جریان شارژ قطع شود. با آنکه بسیاری از سازندگان باتری‌های لیتیم ـ یونی طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می‌کنند اما اکثر مصرف کنندگان طول عمر آن را تا ۱۸ ماه گزارش کرده‌اند.
No tags for this post.
