چرا باتری های حالت جامد برای خودروهای الکتریکی بهتر از باتری های لیتیوم یونی خود هستند؟

ما بسیاری از فناوری های اطراف خود را بدیهی می دانیم. به عنوان مثال، میکروکامپیوترها برای تلفن هایی که در تمام طول روز بدون شارژ مجدد کار می کنند. ولی من میخوام گوشی 3-4 روز بدون شارژ کار کنه. یا یک ماشین الکتریکی که می تواند 1000 کیلومتر را طی کند، در عرض چند دقیقه شارژ شود ... و قیمتی کمتر از یک ماشین با موتور بنزینی دارد. در طول سال‌ها صحبت‌های زیادی در مورد باتری‌های حالت جامد وجود داشته است، اما اکنون اوضاع چگونه پیش می‌رود؟ و چقدر دیگر باید منتظر بمانیم باتری های حالت جامد در دستگاه های ما قرار می گیرند؟

جدیدترین نمونه تویوتا است که در جریان بازی های المپیک زمستانی یک خودروی باتری جامد را معرفی کرد. باتری‌های لیتیوم یونی که امروزه استفاده می‌کنیم، به همان اندازه که هستند، دارای اشکالات خاصی هستند که باتری‌های حالت جامد سعی در رفع آنها دارند.

چه وجه مشترکی با هم دارند؟

هر دو نوع از لیتیوم برای تولید برق استفاده می کنند و ساختار کلی آنها کاملاً مشابه است. به عبارت ساده، آنها دارای یک آند (الکترود منفی)، یک کاتد (الکترود مثبت) و یک الکترولیت هستند.

تفاوت اصلی آنها در حالت الکترولیت است که به انتقال یون ها از کاتد به آند در هنگام شارژ و برعکس در هنگام تخلیه کمک می کند. به عبارت دیگر، الکترولیت جریان الکتریکی بین دو طرف منفی و مثبت باتری را تنظیم می کند. در حالی که باتری های لیتیوم یونی از الکترولیت های مایع استفاده می کنند، باتری های حالت جامد همانطور که از نامشان پیداست از لایه های نازکی از الکترولیت جامد استفاده می کنند.

چرا این مهم است؟

الکترولیت های جامد چندین مزیت قابل توجه دارند:

1. امنیت: صالکترولیت های اسیدی فرار و به راحتی در دمای بالا مشتعل می شود. برخلاف آنها، الکترولیت های جامد پایدارتر هستند و خطر آتش سوزی یا انفجار را کاهش می دهند.
2. بالاتر تراکم انرژی و زمان شارژ سریعتر: pافزایش پایداری به این معنی است که باتری های حالت جامد می توانند 50 درصد انرژی بیشتری نسبت به همتایان لیتیوم یون خود ذخیره کنند، در حالی که انتظار می رود ظرف 80 دقیقه به 12 درصد شارژ برسند.

در سمت چپ ساختار یک باتری لیتیوم یونی و در سمت راست ساختار یک باتری حالت جامد را می بینیم.

3. وزن و اندازه سبک تر: در حالی که مایع درون باتری های لیتیوم یون آنها را سنگین تر می کند، ساختار جمع و جور باتری های حالت جامد امکان چگالی انرژی بالاتر در واحد سطح را فراهم می کند، که به معنای نیاز به باتری های کمتری است.

آیا باتری های حالت جامد جایگزین باتری های لیتیوم یونی می شوند؟

در تئوری، بله، یا حداقل کارها به این سمت است. در واقع، بسیاری از خودروسازان از جمله فولکس واگن، تویوتا، فورد و ب ام و در حال حاضر روی این فناوری سرمایه گذاری می کنند. با این حال، در عمل، سلول های باتری های حالت جامد یک به یک در آزمایشگاه ها تولید می شوند و برای رساندن آنها به تولید انبوه - یک کار گران قیمت و هنوز به اندازه کافی توسعه نیافته است.

ایجاد یک الکترولیت جامد که هم پایدار، هم از نظر شیمیایی بی اثر باشد و هم رسانای خوبی برای یون ها بین الکترودها باشد، دشوار است. علاوه بر این، تولید الکترولیت ها بسیار گران است و به دلیل شکنندگی آنها در هنگام انبساط و فشرده شدن در حین استفاده، مستعد ترک خوردن هستند. اما شاید همانطور که باتری های لیتیوم یونی به تدریج مقرون به صرفه تر می شوند، این اتفاق بیفتد.

چه مطالعاتی قبلا انجام شده است؟

در سال های اخیر مطالعات جالب زیادی انجام شده است که هدف آنها حل این مشکل است. محققان MIT به اصطلاح رساناهای مخلوط یون الکترون (MIECs) و همچنین عایق های الکترونیکی و لیتیوم یونی (ELIs) ساخته اند. این یک معماری سلولی سه بعدی با لوله های MIEC در مقیاس نانو است. لوله ها با لیتیوم پر شده اند که آند را تشکیل می دهد. بخش کلیدی این کشف این است که ساختار سلولی به لیتیوم اجازه می دهد تا در طول شارژ و تخلیه فضا منبسط و منقبض شود. این "تنفس" باتری از ترک خوردن جلوگیری می کند. پوشش لوله های ELI به عنوان یک مانع از آنها در برابر الکترولیت جامد محافظت می کند. این ساختار یک باتری حالت جامد است که ما را از نیاز به افزودن مایع یا ژل نجات می دهد و بنابراین به ما امکان می دهد از دندریت جلوگیری کنیم.

یک شرکت به نام سیستم های ذخیره سازی یون یک الکترولیت سرامیکی فوق نازک با ضخامت حدود 10 میکرومتر، تقریباً به همان ضخامت جداکننده‌های پلاستیکی مدرن که از الکترولیت‌های مایع استفاده می‌کنند، ساخته است. هر طرف الکترولیت سرامیکی با یک لایه بسیار نازک از اکسید آلومینیوم پوشانده شده است که به کاهش مقاومت کمک می کند. نمونه اولیه باتری دارای ظرفیت انرژی حدود 300 وات ساعت بر کیلوگرم است و می تواند در عرض 5-10 دقیقه شارژ شود. برای مقایسه: باتری های مدرن NCA به ظرفیت انرژی حدود 250 Wh/kg می رسند.

در نمایشگاه CES امسال، Mecedes خودروی مفهومی AVTR را به نمایش گذاشت که از مواد سازگار با محیط زیست ساخته شده است، که همچنین دارای باتری کاملاً قابل بازیافت است. در مصاحبه‌ای، آندریاس هینتناخ، مدیر ارشد تحقیقات باتری مرسدس، اظهار داشت که فناوری باتری در حال حاضر تحت آزمایش‌های آزمایشگاهی است و طی 10 تا 15 سال آینده آماده خواهد شد. CATL (شریک باتری چینی تسلا) همچنین یک نمونه باتری حالت جامد تولید کرده است، اما آنها گزارش دادند که تا سال 2030 وارد بازار نخواهد شد.

تولید مداوم باتری های حالت جامد انتظار می رود رفع خواهد شد از سال 2025، اما در ابتدا در صنعت خودروسازی نبود.

همچنین بخوانید:

• باتری بزرگ و شارژ سریع هنوز نمی توانند همزمان وجود داشته باشند
• نوع جدیدی از شارژ سریع توسعه یافته است: باتری های لیتیومی در 10 دقیقه شارژ می شوند