بسیاری از بازیگران صنعتی و حتی کاربران عادی، پیگیر پیشرفت‌های حاصل‌شده در طراحی و تولید باتری‌ها هستند. باتری به‌عنوان یکی از مهم‌ترین قطعات در دنیای فناوری شناخته می‌شود و از خودروسازان تا تولیدکنندگان لوازم مصرفی الکترونیکی و حافظان محیط‌زیست نگران فرایندهای توسعه‌ای صنعت باتری هستند. سال جاری میلادی با اخبار مهمی درباره‌ی باتری‌ها همراه بود. فناوری‌هایی که باتری خودرو برقی را در ۱۰ دقیقه شارژ می‌کنند و باتری‌هایی با قابلیت جذب دی‌اکسیدکربن از هوا و بزرگ‌ترشدن بزرگ‌ترین باتری جهان، نکات مهمی از روند توسعه‌ی باتری‌ها به‌همراه داشتند. درادامه‌ی این مطلب زومیت، مهم‌ترین دستاوردهای انقلابی سال ۲۰۱۹ را در حوزه‌ی باتری شرح می‌دهیم.

افزایش سریع و شدید دمای شارژ

باتری‌های لیتیوم‌یونی که امروزه در دستگا‌ه‌های موبایل ما و دیگر تجهیزات فناورانه همچون خودروهای برقی استفاده می‌شوند، در زمان شارژ دمای خود را به‌صورت ایده‌آل در بازه‌ای مشخص حفظ می‌کنند. اگر دما در بازه‌ی مذکور حفظ نشود، خطر کاهش عمر و کیفیت باتری ایجاد می‌شود. اگر بتوان باتری‌ها را در دمایی بالاتر و با حفظ امنیتی شارژ کرد، مزایای متعددی کسب می‌کنیم. بازدهی باتری با شارژ در دمای بیشتر افزایش می‌یابد و کمترشدن چشمگیر زمان اتصال به منبع تغذیه را شاهد خواهیم بود.

گروهی از محققان دانشگاه ایالتی پن در اکتبر باتری جدیدی رونمایی کردند که توانایی تحمل گرمای بیشتر را داشت. دانشمندان عموما شارژ باتری در دمایی حدود ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد را ممنوع می‌دانند؛ اما دستگاه جدید محققان، تنها ۱۰ دقیقه در چنین دمایی شارژ و سپس پیش از هرگونه تأثیر مخرب دمای بالا، با سرعت زیاد خنک می‌شود.

دستاورد انقلابی محققان در ساخت باتری با قابلیت تحمل زیاد به استفاده از فویل نازک از جنس نیکل وابسته بود. فویل نیکل به ترمینال منفی باتری وصل می‌شود و قابلیت گرم‌کردن سریع الکترون‌هایی را دارد که از ترمینال عبور می‌کنند. محققان با استفاده از طراحی جدید توانستند باتری را ۱،۷۰۰ بار با امنیتی کامل در دمای بالا شارژ کنند. بازدهی روش جدید چشمگیر تعریف می‌شود. گروه محققان می‌گویند با چنین فناوری می‌توان خودرو الکتریکی را در ۱۰ دقیقه برای رانندگی ۳۲۰ تا ۴۸۰ کیلومتر شارژ کرد.

شارژ باتری با چاشنی دی‌اکسیدکربن

گروهی از محققان دانشگاه MIT در اکتبر سال جاری نوع جدیدی از باتری را معرفی کردند که توانایی جمع‌آوری دی‌اکسیدکربن را از هوا دارد. باتری جدید موسوم به electro-swing از دسته‌ای الکترود پوشش‌ داده‌شده در ترکیبی به‌نام Polyanthraquinone استفاده می‌کند که امکان جذب دی‌اکسیدکربن‌ را از فضای اطراف دارد.

فرایند جذب دی‌اکسیدکربن در باتری جدید به‌صورت طبیعی در زمان شارژشدن باتری انجام می‌شود. جذب ماده‌ی مذکور تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که الکترودها پر از دی‌اکسیدکربن شوند. سپس، می‌توان شارژ باتری را خالی کرد تا مولکول‌های CO2 برای کاربردهای صنعتی استفاده شوند. تیم تحقیقاتی توانسته است باتری کنونی را تا هفت‌هزار چرخه‌ی شارژ آزمایش کند که پس‌ازآن، کاهش ۳۰ درصدی در باتری رخ می‌دهد. چشم‌انداز بعدی توسعه رسیدن به ظرفیت ۲۰ تا ۵۰ هزار چرخه‌ی شارژ خواهد بود.

باتری‌های دی‌اکسیدکربن با قابلیت چند شارژ مجدد

جست‌وجو برای روش‌های بهینه‌سازی طراحی باتری شامل اکتشاف برای پیداکردن عناصر جدید نیز می‌شود. دی‌اکسیدکربن‌ یکی از موادی است که دانشمندان از سال‌ها پیش برای اکتشاف ظرفیت کاربرد آن در صنعت باتری تلاش می‌کنند. باتری‌های لیتیوم‌دی‌اکسیدکربن چگالی انرژی بیش از هفت‌برابر باتری‌هالی لیتیوم‌یونی خواهند داشت. همچنین، توسعه‌ی باتری با آن مواد که چرخه‌های شارژ بیشتر داشته باشد، دشواری‌های متعددی به‌همراه دارد.

وقتی در باتری از دی‌اکسیدکربن استفاده شود، در فرایند شارژ شاهد تجمیع ناخواسته‌ی کربن در کاتالیزور خواهید بود. دانشمندان دانشگاه ایلی‌نوی در سپتامبر راهکاری برای عبور از این مشکل معرفی کردند. آن‌ها دستاورد جدید خود را اولین باتری لیتیوم‌دی‌اکسیدکربن با قابلیت شارژ مجدد نامیدند.

باتری قابل‌شارژ دی‌اکسیدکربن از نانوذرات دی‌سولفید‌مولیبدن در کاتد استفاده می‌کند. به‌علاوه، الکترولیت هیبریدی مجهز به مایع یونی و سولفوکسیددی‌متیل نیز در این باتری وجود دارد. ترکیب مواد مذکور مانع از شکل‌گیری کربن مازاد مشکل‌زا در کاتالیزور باتری می‌شود. نمونه‌ی آزمایشی تاکنون به انجام ۵۰۰ چرخه‌ی شارژ موفق شده است.

ذخیره‌ی انرژی در سطح شبکه‌ی توزیع با ساختار سیلیکون مذاب

انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد و خورشید قدرت زیادی تولید می‌کنند؛ اما ذخیره‌سازی انرژی تولیدشده برای استفاده از مواقع ضروری به طراحی بهینه نیاز دارد. استارتاپ استرالیایی Climate Change Technologies در آوریل راهکاری معرفی کرد که شاید به بهبود فرایند ذخیره‌سازی انرژی در سطح شبکه منجر شود. راهکار آن‌ها احتمالا کاربرد و تأثیرگذاری بیشتری درمقایسه‌با تجهیزات ذخیره‌سازی شبکه‌ای لیتیوم‌یونی دارد.

دستگاه Thermal Energy Device یا TED به‌عنوان اولین باتری گرمایی جهان معرفی شد. دستگاه مذکور باتری ماژولاری است که توانایی جذب باتری از هر منبع و استفاده از آن برای ذوب‌کردن سیلیکون را در محفظه‌ای عایق دارد. هر موتور گرمایی می‌تواند انرژی ایجادشده را برای کاربردهای متنوع استفاده کند. هر جعبه‌ی TED توانایی ذخیره‌سازی ۱/۲ مگاوات‌ساعت برق را دارد و با ترکیب آن‌ها می‌توان باتری‌هایی با ابعاد نامحدود ساخت.

استارتاپ CCT درباره‌ی مزیت‌های باتری جدید خود می‌گوید که سیلیکون مذاب برخلاف لیتیوم دچار تخریب نمی‌شود. باتری‌ آن‌ها در چرخه‌های آزمایشی هیچ‌گونه کاهش عملکرد را پس از سه‌هزار آزمایش نشان نداد. CCT پیش‌بینی می‌کند باتری‌ها ۲۰ سال یا بیشتر عمر داشته باشند. باتری‌های TED صرف‌نظر از عمر درخورتوجه، امکان ذخیره‌سازی انرژی را تا ۶ برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم‌یونی دارند و قیمت آن‌ها نیز ۶۰ تا ۸۰ درصد باتری‌های مذکور خواهد بود.

افزایش ظرفیت با قطعات غیرمرسوم

باتری‌های لیتیوم‌یونی توانایی ذخیره و ارائه‌ی انرژی لازم برای روشن نگه‌داشتن گوشی هوشمند شما به‌مدت یک روز یا استفاده از لپ‌تاپ به‌مدت چند ساعت دارند. گفتنی است درصورت استفاده از آن‌ها در صنعت حمل‌ونقل، مشکلات متعددی در پیش خواهیم داشت. چگالی انرژی باتری‌هایی که در خودروها و هواپیماها استفاده می‌شود، درمقایسه‌با منابع سوختی سنتی مشکل اصلی صنعت حمل‌ونقل است. به‌بیان‌دیگر، نمی‌توان ظرفیت باتری‌ها را بدون افزایش وزن زیاد کرد؛ درنتیجه، بهره‌وری وسیله‌ی نقلیه کاهش می‌یابد.

محققان دانشگاه Deakin استرالیا ماه گذشته راهکاری برای عبور از مشکل باتری‌ وسایل نقلیه ارائه کردند. محققان در مؤسسه‌ی مواد پیش‌گام دانشگاه مذکور، نوع جدیدی از باتری را به‌نمایش گذاشتند که به الکترولیت جامد از جنس پلیمرهای تجاری مجهز بود.

با استفاده از باتری جدید و کنارگذاشتن الکترولیت مایع که خطرهایی همچون احتمال آتش‌سوزی دارد، می‌توان محصولی با امنیت بیشتر تولید کرد. البته ظرفیت طراحی جدید به این موارد محدود نیست. محققان می‌گویند طراحی جدید امکان استفاده از آند فلزی لیتیومی را ایجاد می‌کند که به دوبرابرشدن ظرفیت باتری‌های لیتیومی منجر خواهد شد. باتری جدید تولید خودروهایی برقی را باعث می‌شود که توانایی سفرهای طولانی‌تر داشته باشند. همچنین، می‌توان هواپیماهای برقی با توانایی پرواز به مقاصد دورتر هم تولید کرد.

افزایش ابعاد باتری‌‌‌های عظیم

تسلا در سال ۲۰۱۷ موفق شد قراردادی منعقد کند که به تولید بزرگ‌ترین باتری لیتیوم‌یونی جهان منجر می‌شود. باتری مذکور در استرالیا ساخته خواهد شد و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی ۱۲۹ مگاوات‌ساعتی را به منطقه اضافه می‌کند. این باتری توانایی ارائه‌ی خروجی ۱۰۰ مگاواتی دارد.

دولت استرالیا امسال قرارداد جدیدی به تسلا پیشنهاد داد تا ۶۴/۵ مگاوات‌ساعت ظرفیت و ۵۰ مگاوات خروجی بیشتر را به باتری خود اضافه کند. با قرارداد جدید،‌ ابعاد بزرگ‌ترین باتری جهان ۵۰ درصد افزایش می‌یابد و به‌روزرسانی مذکور تا میانه‌های سال ۲۰۲۰ انجام خواهد شد. اخبار مذکور مهم‌ترین دستاوردهای صنعت باتری در سال گذشته بودند. همان‌طورکه گفته شد، باتری‌ها اهمیت بسیاری در دنیای فناوری دارند و از تجهیزات مهم محسوب می‌شوند. قطعا تا تجاری‌شدن، اکثر دستاوردهای گفته‌شده زمان درخورتوجهی نیاز داریم و کاربران هنوز برای دسترسی به باتری‌های بهینه باید منتظر بمانند.