با تشدید بحران تغییرات اقلیمی و نیاز فزاینده به سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی پایدار، فناوری باتریها به یکی از داغ‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی و صنعتی جهان تبدیل شده است. بر اساس گزارش BloombergNEF، سرمایه‌گذاری جهانی در باتریهای پیشرفته تا سال ۲۰۳۰ به ۱.۲ تریلیون دلار خواهد رسید. در این مقاله، آخرین دستاوردهای علمی و تجاری در حوزه‌ی باتریها را بررسی می‌کنیم.
۱. باتریهای حالت جامد: از وعده تا واقعیت
باتریهای حالت جامد با حذف الکترولیت مایع، انقلابی در ایمنی و چگالی انرژی ایجاد کرده‌اند. در سال ۲۰۲۳، تویوتا اعلام کرد که با کاهش ضخامت لایه‌های الکترولیت جامد به ۱۰۰ نانومتر، به چگالی انرژی ۱۲۰۰ وات‌ساعت بر لیتر دست یافته است. این شرکت قصد دارد تا سال ۲۰۲۷-۲۰۲۸، خودروهای مجهز به این باتریها را با برد ۱۲۰۰ کیلومتر به بازار عرضه کند.
شرکت‌های پیشرو:
– کوانتوم‌اسکیپ (QuantumScape): با همکاری فولکس واگن، نمونه‌های اولیه باتری با ۸۰ درصد ظرفیت پس از ۸۰۰ سیکل شارژ تولید کرده است.
– CATL: در سال ۲۰۲۴، باتری حالت جامد با چگالی انرژی ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را برای پهپادها معرفی کرد.
چالش‌های کلیدی:
– هزینه تولید: قیمت مواد جامد مانند لیتیوم لانتانوم زیرکونیوم اکسید (LLZO) هنوز ۵ برابر باتریهای لیتیوم-یون است.
– مقیاس‌پذیری: تولید انبوه با نرخ خطای کمتر از ۱٪ همچنان دشوار است.
۲. باتریهای لیتیوم-گوگرد (Li-S): رویای پرواز با انرژی پاک
این فناوری با چگالی انرژی نظری ۲۶۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم، گزینه‌ای ایده‌ال برای هواپیماهای برقی است. ناسا در پروژه‌ی SABERS، نمونه‌ای از باتری Li-S ساخته که در دمای -۷۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد عملکرد پایدار دارد.
پیشرفت‌های کلیدی ۲۰۲۴:
– نانوکامپوزیت‌های گرافنی: شرکت Lyten با استفاده از گرافن سه بعدی، نرخ تخریب کاتد گوگردی را ۸۰٪ کاهش داده است.
– الکترولیت‌های هیبریدی: محققان دانشگاه Monash با ترکیب ایترهای فلورینه شده و یون‌های نیترات، طول عمر باتری را به ۲۰۰۰ سیکل رسانده‌اند.
محدودیت‌ها:
– چرخه عمر: بیشتر نمونه‌های آزمایشگاهی پس از ۵۰۰ سیکل، ۴۰٪ ظرفیت خود را از دست می‌دهند.
– دمای کارکرد: بهینه‌سازی برای شرایط آب‌وهوایی متغیر نیازمند تحقیق بیشتر است.
۳. باتریهای سدیم-یون: انقلابی در ذخیره‌سازی مقیاس بزرگ
با قیمت سدیم ۸۵٪ ارزان‌تر از لیتیوم، این فناوری برای شبکه‌های برق و خودروهای کم‌هزینه مناسب است. CATL در سال ۲۰۲۳ اولین خط تولید انبوه باتری سدیم-یون با چگالی انرژی ۱۶۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را راه‌اندازی کرد.
دستاوردهای اخیر:
– آندهای پیشرفته: استفاده از کربن سخت مبتنی بر زیست‌توده، ظرفیت آند را تا ۳۵۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم افزایش داده است.
– کاربردهای نوین: شرکت Northvolt در سوئد، این باتریها را برای ذخیره‌سازی انرژی بادهای دریایی شمال اروپا به کار می‌گیرد.
نقاط ضعف:
– چگالی انرژی: هنوز ۳۰٪ پایین‌تر از لیتیوم-یون است.
– تاخیر در شارژ:نیاز به بهبود هدایت یونی در الکترولیت‌ها.
جهت خرید بهترین باتری قلمی موجود در ایران به این صفحه مراجعه نمایید.
۴. نانوفناوری: تحول در مهندسی مواد باتری
سیلیکون نانوسیمی: تسلا در باتریهای ۴۶۸۰ خود از آندهای سیلیکونی با ظرفیت ۱۰ برابر گرافیت استفاده می‌کند. شرکت Sila Nanotechnologies نیز با ساختار اسفنجی سیلیکون، انبساط حجمی را از ۴۰۰٪ به ۱۰٪ کاهش داده است.
گرافن و MXeneها:
– گرافن سه بعدی: افزایش سرعت شارژ تا ۵ برابر در باتریهایElecjet.
– MXeneها (مواد دوبعدی): پژوهشگران دانشگاه Drexel با این مواد، باتری‌هایی ساخته‌اند که در چند ثانیه شارژ می‌شوند.
۵. باتریهای جریانی: ستون فقرات شبکه‌های هوشمند
باتریهای وانادیومی ۸۵٪ بازار جریانی را در اختیار دارند، اما باتریهای آهن-هوا با هزینه ۲۵ دلار بر کیلووات‌ساعت در حال جلب توجه هستند. شرکت ESS Inc در اورگان، باتری‌هایی مبتنی بر نمک آهن ساخته که تا ۲۰ سال عمر می‌کنند.
تحقیقات نوین:
– الکترولیت‌های آلی: دانشگاه هاروارد با استفاده از کینون‌ها، هزینه را ۵۰٪ کاهش داده است.
– سیستم‌های هیبریدی: ترکیب باتری جریانی با سوپرخازن‌ها برای تامین برق پیک.
۶. بازیافت باتریها: اقتصاد چرخشی به واقعیت می‌پیوندد
با تصویب قانون باتری اتحادیه اروپا در ۲۰۲۴، بازیافت ۹۵٪ از لیتیوم، نیکل و کبالت تا سال ۲۰۳۰ الزامی شده است.
فناوری‌های پیشرفته:
– بازیافت مستقیم کاتد: شرکت Redwood Materials با روش‌های حرارتی-شیمیایی، مواد کاتدی را با خلوص ۹۹.۹٪ بازیابی می‌کند.
– بیولیچینگ: استفاده از باکتری‌ها برای استخراج فلزات، با مصرف انرژی ۵۰٪ کمتر.
نتیجه‌گیری: افق ۲۰۳۰
پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰، باتریهای حالت جامد ۳۰٪ از بازار خودروهای الکتریکی و سدیم-یون ۴۰٪ از ذخیره‌سازی شبکه‌ای را تسخیر کنند. با این حال، چالش‌های زیر نیازمند همکاری جهانی است:
– کاهش هزینه‌های تولید از طریق هوش مصنوعی در طراحی مواد.
– ایجاد استانداردهای ایمنی بین‌المللی برای فناوری‌های نوین.
– توسعه زیرساخت‌های بازیافت در کشورهای در حال توسعه.
به جرأت می‌توان گفت که فناوری باتریها نه تنها صنعت انرژی، بلکه جغرافیای سیاسی قرن ۲۱ را نیز شکل خواهد داد.