فراتر از لیتیوم؛ آینده باتری ها چگونه خواهد بود؟

زمانی که سرهنگ برنت ویلسون به فرماندهی پایگاه کمپ اسمیت جزیره اوهو رسید، وی در جنگ‌های خلیج فارس و عراق مستقر شده و عملیات دفاعی زیادی را در کوزوو رهبری کرد.

اما دشمنی که در پایگاه هاوایی با آن روبه‌رو بود، متفاوت از هر کسی بود که در میدان جنگ به‌ عنوان خلبان بالگرد سپاه تفنگداران دریایی دیده بود. او مجبور بود با زیرساخت‌های انرژی قدیمی که مرتباً توسط هوای گرمسیری آسیب می‌دید، مقابله کند.

ویلسون که در آن زمان، عضوی از تیم مسئول عملیات دفاعی در سراسر اقیانوس آرام نیز بود، در این زمینه گفته است که:

کل شبکه برق به‌ طور عادی در حال خراب شدن بود و ما را وا داشت. تحمل این وضعیت واقعاً دشوار بود.

اما نبرد علیه زیرساخت‌های بد متحدی کم‌بهره‌ای نیز داشت: نور خورشید. ویلسون کارزاری را برای نصب صفحات خورشیدی و باتری‌های صنعتی آغاز کرد که می‌توانند در هنگام طوفان، قسمت‌های مهم عملیات را به‌ صورت آنلاین حفظ کنند.

این تجربه سرانجام به او کمک کرد تا در حرفه دوم فعالیت کند: فروش باتری به اندازه کافی بزرگ که بتواند خانه شما را از شبکه بی‌نیاز کند.

رونق باتری

طبق اطلاعات Mordor Intelligence، بازار باتری در چند دهه گذشته به‌ سرعت رشد کرده است و انتظار می‌رود طی ۵ سال آینده ۱۲ درصد دیگر افزایش یابد. تا سال ۲۰۲۵ این بازار ۹۰ میلیارد دلاری خواهد بود.

در طول دهه گذشته، شرکت‌هایی مانند تسلا، دایسون و دایملر همگی سرمایه‌های میلیاردی در این صنعت انجام داده‌اند یا شرکت‌های کوچک‌تری را خریداری کرده و یا کارخانه‌های جدیدی ایجاد کرده‌اند. اگر امروز از آن صحنه کلاسیک The Graduate فیلم‌برداری می‌شد، توصیه شغلی یک‌کلمه‌ای به شخصیت داستین هافمن «پلاستیک» نبود بلکه «باتری» بود.

چه چیزی باعث این همه رشد شده است؟ قیمت باتری‌های لیتیوم یونی کاهش یافته است، وسایل الکترونیکی شخصی و اتومبیل‌های برقی از طریق آن‌ها شروع به کار می‌کنند و از جمله عوامل دیگر، صاحبان خانه و شرکت‌های برق بیشتری به دنبال ذخیره انرژی خورشیدی و بادی هستند.

اما همراه با این رشد، زباله‌های زیادی تولید خواهد شد. متأسفانه بیشتر باتری‌ها در محل‌های دفن زباله ریخته می‌شوند. نرخ بازیافت سلول‌های یون لیتیوم وحشتناک است چراکه این نرخ تنها حدود ۵ درصد در ایالات متحده و اتحادیه اروپا است.

محققان در حال یافتن روش‌هایی برای بازیافت بیشتر باتری‌های یون لیتیوم هستند اما حتی اگر این اتفاق بیفتد، باز هم باید عادت افراد و شرکت‌هایی را که اصلاً باتری‌ها را بازیافت نمی‌کنند، تغییر دهیم و با انداختن آن‌ها در سطل آشغال، آن‌ها را دور بیندازیم.

بعلاوه، برخی از کارشناسان می‌گویند مقدار محدودی لیتیوم در دسترس است، هرچند در مورد میزان محدودیت اختلاف ‌نظرهایی وجود دارد. استخراج آن و کبالت (که معمولاً برای الکترود مثبت باتری لیتیوم یون استفاده می‌شود) هزینه‌های زیست‌ محیطی و انسانی بالایی دارد. به‌علاوه، قیمت کبالت به‌ شکل قابل توجهی در چند سال گذشته افزایش یافته است.

همه این موارد یک سؤال را ایجاد می‌کند: آیا باتری‌های ارزان‌تر و سازگار با محیط زیست در کره زمین وجود دارد؟ آیا می‌توانیم از چیز بهتری استفاده کنیم؟ چه آینده‌ای در انتظار باتری‌ها است؟

بسیاری از افراد در حال تحقیق درباره احتمالات موجود هستند. از دهه ۱۹۹۰، بیش از ۳۰۰۰۰۰ حق ثبت اختراع مربوط به باتری ثبت شده است (بیش از ۳۰۰۰۰۰ مورد فقط در سال ۲۰۱۷).

در حالی که درصد زیادی از این اختراعات مربوط به فناوری لیتیوم یون است، کارهای زیادی در زمینه الکترولیت حالت جامد، آند بر پایه سیلیکون، لیتیوم گازی، گرافن و سایر گزینه‌ها انجام شده است که برخی از آن‌ها سازگار با محیط زیست و بهتر از سایر گزینه‌ها هستند. سایر مواردی که از نظر محیطی از یون لیتیوم بهتر نیستند ممکن است کارآمدتر باشند.

گرچه احتمالاً بیشتر این نوع باتری‌های جدید به اندازه یون لیتیوم (حداقل در چند دهه آینده) به بازار عرضه نخواهند شد اما می‌توانند بازارهای بسیار خوبی را ارائه دهند. در اینجا به برخی از محبوب‌ترین‌ها می‌پردازیم.

فسفات آهن لیتیوم

بلافاصله پس از بازنشستگی سرهنگ ویلسون از ارتش، مدیران یک شرکت تولید پنل خورشیدی از او خواستند که سال‌ها دانش مربوط به ذخیره انرژی خود را در دسترس قرار دهد (ارتش یکی از بزرگ‌ترین کاربران باتری در جهان است)، به یک سفر به CES در لاس وگاس برود و محصول فعلی باتری‌های خانگی را بررسی کند.

وی پس از سفر، یک مقاله‌ نوشت تا توضیح دهد که چرا از گزینه‌هایی که دیده ناراضی است. بهترین باتری‌ها برای یک صاحب‌خانه متوسط ​​بیش از حد گران‌قیمت بودند (بیش از ۳۰۰۰۰ دلار) یا توان کافی نداشتند. او سپس با NeoVolta همکاری کرد تا یک خط تولید باتری ایجاد کند که هزینه آن معمولاً بسیار پایین است.

کارشناسان مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست به‌ سرعت به شما خواهند گفت که ذخیره انرژی لیتیوم-آهن-فسفات نوع دیگری از باتری لیتیوم-یون است، البته یکی از مزایای قابل توجه این نوع باتری‌ها، ارزان‌تر بودن، داشتن انرژی متراکم‌تر، عمر طولانی‌تر و عدم شعله‌ور شدن در صورت پارگی داخلی است (که می‌تواند در مورد باتری‌های لیتیوم یون اتفاق بیفتد).

در مورد نکات منفی، این باتری‌ها بسیار سنگین هستند. به همین دلیل بهتر است روی زمین و نه در یک تلفن همراه باشند. البته این نوع باتری هنوز دارای لیتیوم است و مسیر بازیافت آن نامشخص است.

به همین ترتیب، تعداد کمی از صنعتگران باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات را به کار گرفته‌اند. همچنین، دانستن میزان بازیافت آن‌ها بسیار دشوار است. برخی از محققان ادعا می‌کنند که تجزیه به قطعات تشکیل‌ شده نسبتاً آسان‌تر خواهد بود.

گوگرد لیتیوم

برخی از کارشناسان اعتقاد دارند که باید ذخیره انرژی با لیتیوم – گوگرد را جایگزین یون لیتیوم کنند زیرا این باتری‌ها سبک‌تر و چگال‌تر هستند. گوگرد نیز بسیار زیاد و ارزان است.

تفاوت بین عملکرد باتری‌های لیتیوم یون و لیتیوم گوگرد چیست؟ پروفسور لیندا نظر که آزمایشگاه وی در دانشگاه واترلو کانادا از ۱۰ سال گذشته باتری‌های گوگرد لیتیوم را مطالعه کرده است، برای توصیف تفاوت‌ها از قیاس گاراژ پارکینگ استفاده می‌کند. در حالیکه شارژ و تخلیه باتری لیتیوم یون مانند رانندگی اتومبیل به داخل و خارج پارکینگ است، باتری لیتیوم گوگرد «تقریباً کل ساختار گاراژ پارکینگ را خراب می‌کند و پس از شارژ مجدد سلول دوباره آن را بازسازی می‌کند».

واکنش شیمیایی شبیه آن چیزی است که در یک باتری سرب-اسید اتفاق می‌افتد. این واکنشی است که در آن یک تحول ساختاری و شیمیایی کامل وجود دارد. این باتری‌ها مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند. نظر گفته است:

آن‌ها این مزیت را دارند که می‌توانند الکترون‌های بیشتری ذخیره کنند.

از طرف دیگر، گوگرد رسانایی نسبتاً کمی دارد و پس از تخلیه، باتری‌ها تغییر می‌کنند. تیم آزمایشگاه دانشگاه واترلو در حال تغییر دادن اجزای موجود در این باتری‌ها برای افزایش عمر چرخه و بهینه‌سازی واکنش‌های درون آن هستند.

اگر برخی از چالش‌های باتری برطرف شود، پروفسور نظر که از آن‌ها در هواپیما و همچنین هواپیماهای بدون سرنشین استفاده شود. هواپیماهای Zephyr و پهبادها که برخی از پروازهای طولانی با انرژی الکتریکی را انجام داده‌اند، اغلب به باتری‌های گوگرد لیتیوم متکی هستند.

یون سدیم

جالب است که یک عنصر جدول تناوبی که برای قلب شما بسیار مضر است، برای باتری‌ها بسیار خوب است. تحقیقات در مورد باتری‌های یون سدیم از دهه ۱۹۷۰ آغاز شد (تقریباً همزمان با ذخیره انرژی لیتیوم یون). این دو عنصر همسایگان جدول تناوبی هستند ولی یون لیتیوم انتخاب شد و یون سدیم برای سه دهه به دلیل اینکه دارای انرژی کمتری بود، کنار گذاشته شد.

پروفسور نظر که آزمایشگاه وی با ذخیره انرژی مبتنی بر سدیم کار می‌کند، در این مورد گفته است:

به نظر می‌رسد بهترین ماده در اطراف ما باشد. باتری‌های یون سدیم امکان کار با عناصر فراوان زمین را (الکترودهای مثبت ساخته‌ شده از عناصری مانند آهن، منگنز و تیتانیوم) بخصوص عناصری که هزینه بسیار کمتری دارند، فراهم می‌کند. اما به کار انداختن آن واکنش یک چالش است زیرا مشکل فقط لیتیوم نیست.

لیندا نظر یادآور می‌شود که برخی از شرکت‌ها عقیده دارند که سرمایه‌گذاری روی باتری‌های یون سدیم ارزش بالایی ندارد زیرا هزینه باتری‌های لیتیوم یون دائماً در حال کاهش است.

او در ادامه گفت:

من فکر می‌کنم احتمالاً ارزش سرمایه‌گذاری بسیاری در باتری‌های یون سدیم قرار دارد. اگر احتمال یک در هزار وجود داشته باشد که باتری‌های یون سدیم با چگالی انرژی بالا به‌خوبی کار کند، این یک قدم بزرگ به جلو خواهد بود.

قند

باور کنید یا نه، می‌توانید به‌ راحتی یک باتری را از شکر تولید کنید. سونی برای نخستین بار تحقیقاتی را در مورد واکنش مالتودکسترین برای ایجاد انرژی در سال ۲۰۰۷ منتشر کرد.

اگرچه در دسترس بودن مواد و سازگاری با محیط زیست باتری‌های شکر بسیار بالاتر از لیتیوم-یون است، ولتاژ ایجادشده توسط واکنش شیمیایی آن‌ها به‌ طور قابل‌توجهی پایین‌تر است. بنابراین، شما احتمالاً لازم است از چندین جعبه شیرینی برای حرکت اتومبیل تسلا استفاده کنید.

اگرچه طرح اصلی برای اولین بار در سال ۲۰۰۷ ظاهر شد، اما هنوز هم مفهوم باتری شکری در میان برخی دانشمندان قابل توجه است. در سال ۲۰۱۶، یک تیم موسسه فناوری ماساچوست به رهبری پروفسور مایکل استرانو دستگاهی به نام موج ترموپاور ایجاد کردند که بسیار کارآمدتر از تجسم باتری‌های شکری قبلی است و می‌تواند یک چراغ LED تجاری را روشن کند.

این یک پیشرفت هیجان‌انگیز است زیرا شکر بسیار فراوان است، بنابراین اگر بتوانیم راهی مناسب برای تولید این باتری‌ها پیدا کنیم، احتمالاً می‌توانیم آن فناوری را به‌ سرعت مقیاس‌بندی کنیم. متأسفانه، احتمالاً چندین سال دیگر از دسترسی تجاری برخوردار نخواهیم بود.

جریان

ساختار یک باتری جریانی (Flow Battery) متفاوت از اکثر موارد دیگر است. باتری‌های جریانی به جای بسته‌بندی دسته‌ای از مواد راکتیو در یک واحد (مانند باتری‌های معمولی)، مایعات راکتیو را در ظروف جداگانه ذخیره کرده و سپس برای ایجاد انرژی به سیستم پمپ می‌کنند. البته آن‌ها عظیم هستند و برای ذخیره انرژی شبکه طراحی شده‌اند و نه برای وسایل الکترونیکی و چیزهایی که می‌توانند به‌ راحتی در کف دست شما قرار بگیرند.

گزارش شده که باتری جریانی حدود ۱۰۰۰ پوند وزن دارد و در اواخر قرن نوزدهم اختراع شد تا کشتی هوایی فرانسه را که «La France» نام دارد را تأمین کند. علاقه به ذخیره انرژی مدولار از آن زمان تاکنون کاهش یافته است.

تیموتی کوک، استاد شیمی در دانشگاه بوفالو گفته است:

من فکر می‌کنم آنچه واقعاً باعث علاقه به باتری‌های جریانی می‌شود، نه تولید نسل بعدی باتری برای تلفن یا رایانه، بلکه ذخیره انرژی در مقیاس متوسط تا بزرگ است.

بنابراین، اگر در حال ساخت تلفن همراه عملی تخیلی نیستید، بعید به نظر می‌رسد که باتری‌های جریانی فعال‌شده با پمپ‌های میکروسکوپی را به اطراف حمل کنید. با این حال، هرچه خانه‌های بیشتری انرژی خورشیدی را نصب می‌کنند، بازار ذخیره‌سازی «انرژی شخصی» رشد خواهد کرد.

در حالیکه قدرتمندتر شدن باتری‌های یون لیتیوم به معنای افزایش اندازه باتری است، اما طراحی باتری‌های جریانی باعث افزایش انرژی با افزایش اندازه مخازن مایع می‌شود. شرکت پاور اند الکتریکی سن دیگو به‌ تازگی یکی از باتری‌های جریانی را نصب کرده است که می‌تواند ۱۰۰۰ خانه را تأمین کند.

کوک در این مورد توضیحاتی داده است:

شما نیازی به تغییر ابعاد غشا ندارید. بنابراین، خیلی آسان‌تر است که مقیاس را بالا یا پایین بیاورید یا اساساً می‌توانید آن را به‌ صورت سفارشی نصب کنید.

چرخه شارژدهی باتری‌های جریانی نیز در مقایسه با اکثر باتری‌ها بسیار بیشتر است. توانایی جایگزینی مایعات یا جایگزینی سایر قطعات مدولار به این معنی است که عمر بالقوه باتری تقریباً نامحدود است.

حتی اگر شرکت‌ها در حال حاضر باتری‌های جریانی را در اندازه صنعتی می‌فروشند، پروفسور کوک انتظار ندارد تا پنج تا ۱۰ سال دیگر مورد استقبال گسترده مردم قرار گیرد. او حتی روزی را تصور می‌کند که اتومبیل‌های الکتریکی ممکن است از این فناوری استفاده کنند.

کوک توصیف می‌کند اتومبیلی که به یک «پمپ‌بنزین» نزدیک می‌شود، الکترولیت مصرف‌شده را تخلیه کرده و سپس با یک ماشین، دوباره شارژ می‌شود. به جای اینکه نیم ساعت منتظر بمانید تا ماشین شما دوباره راه‌اندازی شود، چرخ‌دنده‌ها می‌توانند در عرض چند دقیقه قطعه جدید را جایگزین کنند. اما مطمئناً، چنین آینده‌ای بسیار دور است.

کاغذ

ساخت باتری از کاغذ مزایای زیادی دارد. کاغذ نازک و انعطاف‌پذیر است و اگر با مواد مناسب ساخته شود، زیست‌تخریب‌پذیر است. یک تیم در دانشگاه استنفورد با پوشش ورق‌های نازک با جوهر اشباع‌شده از کربن و نقره، باتری‌های کاغذی اولیه را تولید کردند.

اخیراً، طرفداران ساخت باتری سازگار با محیط زیست از باتری‌های تولیدشده در دانشگاه بینگهامتون بسیار هیجان‌زده شده‌اند. پروفسور سئوکن چوی چندین تجسم مختلف از آن ایجاد کرده است از جمله یکی با استفاده از بزاق انسان و دیگری با باکتری.

یک تجسم اخیر از بیو باتری که توسط چوی و پروفسور اومونمی سادیک ساخته شده است، از پلی (آمیک) اسید و پلی (پیروملیتی دیانیدرید پی فنیلن دی آمین) استفاده می‌کند تا منابع انرژی را تجزیه‌پذیر کند.

چوی هنگام اعلام این نوآوری گفت:

باتری کاغذی هیبریدی ما نسبت به باتری میکروبی بر پایه کاغذ نسبت انرژی به هزینه بسیار بالاتری از خود به نمایش گذاشت.

اگرچه استفاده تجاری از این باتری‌های کاغذی سازگار با محیط زیست با توجه به خروجی کم برق آن‌ها محدود شده است (می‌توان برای مدت‌ زمان ۲۰ دقیقه انرژی مورد نیاز یک چراغ LED را تأمین کرد)، محققان امیدوارند که از آن‌ها در الکترونیک، دستگاه‌های بی‌سیم، برنامه‌های پزشکی مانند ضربان سازها، هواپیماها و اتومبیل‌ها استفاده شود.

چوی مقاله‌ای در مورد استفاده از آن‌ها به‌ عنوان منبع تغذیه یک‌بارمصرف برای ابزارهای تشخیصی در مراقبت در کشورهای در حال توسعه که ممکن است باتری به‌ راحتی در دسترس نباشد، نوشته است.

هوا

هوا در واقع می‌تواند الکتریکی باشد. باتری‌های روی و هوا که تقریباً به اندازه آب‌نبات‌های اسمارتیز هستند و از واکنش بین اکسیژن و روی تأمین می‌شوند، سال‌هاست که در سمعک استفاده می‌شوند. روی نیز ارزان و فراوان است و این فناوری را اقتصادی و همچنین دوستدار محیط زیست می‌کند.

اما هنگام تلاش برای شارژ مجدد این فناوری محدودیت‌هایی وجود دارد. بلورهای دندریت می‌توانند هنگام شارژ تشکیل‌شده و عمر باتری را کوتاه کنند. روش‌هایی برای جایگزینی روی آزمایش شده است مانند «شارژ مکانیکی» باتری با جایگزینی فیزیکی مواد، روشی که در اتوبوس‌های برقی سنگاپور امتحان شده است.

آزمایش‌های متعدد دیگری با استفاده از باتری‌های لیتیوم-هوا و فلز-هوا با درجات مختلف چگالی انرژی، سطح قدرت و هزینه انجام شده است. طی دهه گذشته، تسلا چندین اختراع ثبت‌شده در رابطه با شارژ باتری‌های لیتیوم هوا را ثبت کرده است، بنابراین پتانسیل آن‌ها ممکن است فراتر از سمعک باشد.

آهن

چند سال پیش، استاد شیمی دانشگاه آیداهو، پیتر آلن، شروع به پخش ویدیو درباره علم باتری در یوتیوب کرد. او تقریباً بلافاصله متوجه شد که بینندگان واقعاً به مواد باتری واکنش نشان می‌دهند، که این امر باعث ایجاد یک باتری آهنی قابل شارژ به‌ عنوان یک برنامه آموزشی شد. این پروژه منجر به بیش از ۱۰۰ فیلم نمایشی در توضیح مراحل، مشکلات و یادگیری‌های یک پروژه باتری آموزشی شده است.

این استاد دانشگاه، که تخصص وی شیمی بیولوژیک است، اذعان کرده است:

من نمی‌خواهم خودم را به‌ عنوان یک متخصص باتری مطرح کنم. من با انجام فیلم‌های یوتیوب، فهمیدم که در ساخت یک باتری نسبتاً ارزان که خودتان می‌توانید بسازید، چیزهای زیادی برای آموزش و یادگیری وجود دارد.

بخش‌هایی از فن‌آوری باتری آهن از ۱۰۰ سال پیش وجود داشته است، بنابراین من فکر می‌کنم بسیاری از افرادی که ممکن است با دانش خارجی زیادی وارد این کار شوند فقط می‌گویند که هیچ‌چیز در این نوع فناوری مفید نیست. اما من هم در جواب به آن‌ها گفتم: خوب، بیایید آن را امتحان کنیم، به هر حال می‌توانید چیز جالبی پیدا کنید.

پس از دو سال، بیش از ۳۰ تغییر در باتری و کمک زیادی از دانشجویان دوره کارشناسی، آلن آموخته است که چگونه مواد مایع و جامد را متعادل کند تا مقدار بهینه چگالی انرژی اما با قدرت کم ایجاد کند.

او ادامه داد:

اما یک سؤال مطرح می‌شود: اگر یک واکنش دارید که کار می‌کند، اما به‌ آرامی کار می‌کند، چگونه سرعت آن را افزایش می‌دهید؟

حتی اگر این تیم چالش‌های مربوطه را حل کند، فناوری فعلی حکم می‌کند که با توجه به فضای مورد نیاز و سرعت انرژی ارسالی از واحد، بهترین کاربردها برای یک باتری آهنی یک واحد ذخیره انرژی میکرو شبکه‌ای یا جذب نیروگاه خورشیدی است.

چه کسی برنده است؟

آیا باتری آهن آلن از نظر تجاری همیشه قابل‌ استفاده خواهد بود؟ او مطمئن نیست که یافته‌های فعلی تیم که در یک مجله علمی منتشر شده است، آن‌ها را به مسیر مشخصی خواهد رساند.

او با بررسی اختراعات بی‌شمار در زمینه باتری، متوجه شده که تنها تعداد کمی از آن‌ها به بازار راه پیدا می‌کنند. در تحقیقات علمی، او توضیح داده است که «دره مرگ» وجود دارد.

او در این مورد گفته است:

شما تحقیقات اولیه‌ای دارید که چیز بسیار جالبی را ارائه می‌دهد. این سؤال وجود دارد که آیا می‌توان آن را تجاری کرد و هیچ سرمایه‌ای برای پاسخ مثبت به این سؤال وجود ندارد. محققانی که پول کافی برای پاسخ به این سؤال اولیه پیدا کرده‌اند، در صورت خوش‌شانس بودن، سرمایه‌گذارانی را پیدا می‌کنند که می‌خواهند ایده موجود را اصلاح و تجاری کنند اما بین تحقیقات اساسی و تصحیح لازم برای ساختن یک باتری تجاری فاصله وجود دارد.

در سال ۲۰۱۹، سرمایه‌گذاران خطرپذیر ۱٫۷ میلیارد دلار در زمینه باتری سرمایه‌گذاری کردند و ۱٫۴ میلیارد از آن صرف تحقیقات مربوط به یون لیتیوم شد. اما باتری‌های جریانی، هوا روی، فلز مایع و بسیاری از فناوری‌های دیگر نیز چک کتبی دریافت کردند.

در حالی که ذخیره انرژی لیتیوم-یون احتمالاً حداقل برای ۱۰ سال دیگر بر ذخیره انرژی تسلط خواهد داشت، شاید فناوری‌های دیگر از این دره مرگ عبور کنند.