اخبار اکتشافات تازه در صنعت باتری

در حالی که صنعت تلفن‌ها، خانه‌ها و حتی پوشیدنی‌های هوشمند هر روز به فناوری‌های پیشرفته‌تری مجهز می‌شوند، هنوز هم از نظر منبع انرژی دچار محدودیت هستند. باتری‌ها مدت‌هاست پیشرفت چندانی نکرده‌اند. اما به نظر می‌رسید ما در آستانه یک انقلاب شگرف در زمینه باتری‌ها و منابع انرژی هستیم.

شرکت‌های بزرگ فناوری و خودروسازی کاملا از محدودیت‌های باتری‌های یون لیتیوم آگاه هستند. در حالی‌که‌ تراشه‌ها و سیستم‌های عامل برای صرفه جویی انرژی هر روز کارآمدتر می‌شوند، هنوز تلفن‌های هوشمند حداکثر یک یا دو روز بدون شارژ قابل استفاده هستند.

هرچند هنوز مدتی زمان نیاز است تا به روزی برسیم که بتوان یک هفته با تلفن همراه بدون شارژ کار کرد؛ در اینجا تازه‌ترین اکتشافات صنعت باتری را که به زودی می‌توانند وارد زندگی ما شوند، از شارژ بی‌سیم گرفته تا شارژ برق آسای 30 ثانیه‌ای، معرفی می‌نماییم. به زودی می‌توان به حضور برخی از این فناوری‌ها در ابزارهای مختلف امیدوار بود.

باتری‌های لیتیوم گوگرد با عملکردی بهتر از یون لیتیوم و تأثیر منفی زیست محیطی کم‌تر

محققان دانشگاه موناش آمریکا یک باتری لیتیم‌ـ‌گوگرد تولید کرده‌اند که می‌تواند تا 5 روز انرژی یک تلفن هوشمند را تأمین کند. محققان دانشگاه موناش این باتری را به تولید آزمایشی رسانده و حق اختراع را ثبت و توجه تولید کنندگان این صنعت را جلب نموده‌اند. این گروه برای تکمیل تحقیقات خود در سال 2020 برای به کارگیری این باتری‌ها در خودرو و شبکه برق رسانی، بودجه دریافت کرده‌اند.

گفته می‌شود که این فناوری جدید تأثیرات منفی زیست محیطی و هزینه‌های تولید کمتری نسبت به یون لیتیوم دارد. این در حالیست که پتانسیل تأمین انرژی این فناوری برای یک خودرو برابر 1000 کیلومتر (620 مایل) بوده و برای یک تلفن هوشمند 5 روز می‌باشد.

باتری آی بی ام (IBM) نشأت گرفته از آب دریا با برتری کامل نسبت به یون لیتیوم

 شرکت تحقیقاتی آی بی ام گزارش داده است مکانیزم شیمایی جدیدی برای باتری‌هایش کشف کرده است که عاری از فلزات سنگین مانند نیکل و کبالت است و به طور بالقوه می‌تواند عملکردی بهتر از یون لیتیوم داشته باشد. این شرکت افزود که این‌ترکیب شیمایی پیش از این در هیچ باتری استفاده نشده است و این مواد را می‌توان از آب دریا استخراج نمود.

شرکت تحقیقاتی آی‌بی‌ام بیان کرده این باتری عملکردی بسیار امیدوارکننده دارد و برتری‌های عملکردی چشمگیری به باتری‌های یون لیتیوم دارد؛ از جمله این‌که تولید آن ارزان‌تر است، سریع‌تر از یون لیتیوم شارژ می‌شود و می‌تواند هم در توان و هم در انرژی بالاتری ارائه گردد. اشتعال پذیری کم‌تر الکترولیت‌ها نیز از دیگر مزایای این باتری‌هاست.

شرکت تحقیقاتی آی‌بی‌ام در پایان افزود مزایای صنعت این باتری آن را به انتخابی ایده‌آل برای خودروهای برقی تبدیل می‌گرداند و از این رو همکاری‌های اولیه با شرکت مرسدس بنز برای تجاری سازی فناوری این باتری آغاز گردیده است.

 سیستم مدیریت باتری پاناسونیک 

در حالی‌که استفاده از باتری‌های یون لیتیوم با رشد روز افزونی مواجه است، مدیریت آن (مثل تعیین زمان پایان آن‌ها)، دشوار است. پاناسونیک با همکاری استاد ماساهیرو فوکویی از دانشگاه ریتسومایکن (Ritsumeikan)، به فناوری جدید مدیریت باتری دست یافته است که پایش مقدار یون لیتیوم باقی مانده و عمر باتری‌ها را  بسیار آسان‌تر می‌سازد.

پاناسونیک می‌گوید با اعمال تغییر در سیستم مدیریت باتری می‌توان فناوری جدید را به راحتی اعمال کرد و این امر باعث می‌شود نظارت و ارزیابی باتری‌های متداول در خودروهای برقی با چندین سلول مطبق (روی هم) آسان‌تر شود. پاناسونیک خاطر نشان کرد این سیستم با مدیریت بهتر در بازیافت و استفاده مجدد از باتری‌های یون لیتیوم، به پیشرفت در تجدید پذیری چرخه انرژی کمک خواهد کرد.

 به کارگیری نامتقارن دما

به تازگی و طی تحقیقاتی آزمایشگاهی یک روش شارژ کشف گردیده که ما را یک گام به شارژ فوق سریع (extreme fast charging (XFC نزدیک‌تر می‌سازد که هدف آن 200 مایل (320 کیلومتر) پیمایش خودرو برقی با حدود 10 دقیقه شارژ با توان 400 کیلو وات است. نامطلوب‌ترین پدیده در هنگام شارژ باتری‌های یون لیتیوم، پوشش قطب منفی (آند) با‌ ترکیبات فلزی لیتیوم می‌باشد که سبب کاهش عملکرد و افزایش احتمال احتراق باتری می‌شود. بنابراین روش به کارگیری نامتقارن دما با انجام شارژ در دمای بالاتر باعث کاهش پوشش لیتیومی‌آند می‌شود. با این وجود برای جلوگیری از پدیده نفوذ بین فازی الکترولیت جامد، مدت چرخه‌ها به 10 دقیقه محدود می‌شود تا از کاهش عمر باتری جلوگیری شود. همچنین نتایج این تحقیق نشان داد این روش ضمن تسهیل شارژ فوق سریع، باعث کاهش تجزیه باتری نیز می‌گردد.

باتری ماسه‌ای با عمری سه برابر معمول

به تازگی کار برروی یک نوع باتری یون لیتیوم آغاز شده که در آن از سیلیکون به جای گرافیت متداول استفاده می‌شود. باتری جدید همچنان ظاهری مانند باتری‌های یون لیتیوم سابق دارد، اما در آند آن از سیلیکون به جای گرافیت استفاده می‌گردد.

دانشمندان دانشگاه ریورساید کالیفرنیا مدتی بروی نانو سیلیکون تمرکز نمودند، اما متوجه شدند این ماده خیلی سریع تخریب شده و تولید انبوه آن بسیار دشوار است. البته پس از پیگیری تحقیقات مشخص شد اگر از ماسه استفاده شود، می‌توان آن را تصفیه و پودر کرد سپس با نمک و منیزیم مخلوط نمود و نهایتاً حرارت داد تا سیلیکون خالص حاصل شود. این ماده متخلخل و سه بعدی است که باعث بهبود عملکرد و طول عمر باتری‌ها شود. تحقیقات در این صنعت سال 2014 آغاز شده و اکنون در آستانه ثمربخشی می‌باشد.

سیل نانو (Silanano) یک استارتاپ صنعت فناوری باتری است که این فناوری را به بازار عرضه نموده و سرمایه‌گذاری‌های چشمگیری از طرف شرکت‌هایی مانند دایملر و بی‌ام‌و بر  روی آن صورت گرفته است. براساس گفته‌های این شرکت، فرآیند پیشنهادی به راحتی می‌تواند جایگزین پروسه تولید باتری‌های یون لیتیومی‌ فعلی شود و بلافاصله 20 درصد عملکرد باتری‌ها را بهبود بخشد. البته گفته می‌شود در آینده نزدیک این بهبود تا  40 درصد افزایش یابد.

دریافت انرژی از کاربر دستگاه

شما می‌توانید تأمین کننده انرژی دستگاه خود باشید اگر تحقیقات در مورد صنعت نانوژنراتورهای ‌تریبوالکتریک یا همان تِنگ‌ها (TriboElectric NanoGenerator (TENG به نتیجه برسد. تنگ یک تکنولوژی احصال قدرت است که جریان الکتریکی تولید شده از تماس دو ماده را دریافت می‌نماید.

یک تیم تحقیقاتی در انستیتو فناوری پیشرفته و دانشگاه ساری انگلستان دیدگاهی در مورد چگونگی استفاده از این فناوری برای به کار انداختن وسایلی مانند گجت‌های پوشیدنی ارائه داده اند. البته هنوز تا کاربری صنعت این تکنولوژی راه بسیار است اما این تحقیقات می‌تواند ابزار مورد نیاز را در اختیار طراحان قرار داده و به کاربری تنگ در دستگاه‌های آینده کمک نماید.

 باتری‌های نانوسیم طلا

محققین دانشگاه ارواین کالیفرنیا باتری‌های نانوسیمی‌را اختراع نموده اند که می‌تواند دفعات بسیار زیاد شارژ مجدد را تحمل نماید. حاصل این می‌تواند نسل بعدی باتری‌ها را رقم بزند که عملا فنا ناپذیرند.

نانوسیم‌ها، هزار بار نازک‌تر از موی انسان هستند که آن‌ها را گزینه مناسبی برای باتری‌های آینده می‌سازد. این اختراع برای جلوگیری از تخریب زود هنگام باتری پس از شارژ از نانوسیم‌های طلا در نوعی ژل الکترولیت استفاده می‌کند. این باتری‌ها در طی سه ماه بیش از 200،000 بار شارژ شدند و به هیچ وجه تخریب نشدند.

یون لیتیوم حالت جامد

باتری‌های حالت جامد به طور متداول با ثبات‌ترند اما این امر به بهای تعویض الکترولیت خواهد بود. دانشمندان شرکت تویوتا به تازگی در مقاله‌ای نتایج آزمون‌های خود از یک باتری حالت جامد که از رساناهای سوپریونی گوگردی بهره می‌گیرد را منتشر نموده اند. این به معنای پیدایش یک صنعت باتری فوق‌العاده است.

حاصل کار یک باتری برتر است که می‌تواند در حد ابرخازن‌ها عمل نموده و تنها در عرض هفت دقیقه به طور کامل شارژ یا تخلیه شود که از آن گزینه‌ای ایده‌آل برای خودروهای آینده می‌سازد. حالت جامد بودن این باتری نیز به معنای پایدارتر و ایمن‌تر بودن آن نسبت به باتری‌های فعلی است. دمای عملکردی این باتری‌های حالت جامد بین منفی 30 درجه تا مثبت 100 درجه سانتی‌گراد خواهد بود.

البته هنوز انتخاب مواد تشکیل دهنده الکترولیت با چالش‌هایی همراه است، بنابراین نمی‌توان در آینده نزدیک انتظار مشاهده آن در خودروها را داشت، اما این یک گام درست به سمت باتری‌های آینده با قابلیت شارژ سریع‌تر می‌باشد.

باتری‌های گرافن گرابات (Grabat)

باتری‌های گرافن این پتانسیل را دارند که یکی از برترین باتری‌های موجود در بازار باشند. باتری‌های گرافنی گرابات می‌تواند با یک شارژ به اتومبیل‌های برقی قابلیت پیمایشی تا 500 مایل(800 کیلومتر) بدهد.

شرکت گرافنانو (Graphenano) توسعه دهنده این باتری‌ها گفته که گرابات فقط در چند دقیقه شارژ می‌شود و سرعت شارژ و تخلیه آن تا 33 برابر سریع‌تر از یون لیتیوم است. سرعت تخلیه شارژ برای مواردی مانند خودرو که باید در یک لحظه مقدار زیادی انرژی برای شروع حرکت دریافت کند مهم است.

هنوز شواهدی در مورد استفاده از باتری‌های گرابات در محصولی تجاری وجود ندارد، اما این شرکت باتری‌های متنوعی برای خودرو، هواپیماهای بدون سرنشین، دوچرخه و حتی خانه تولید می‌نماید.

میکرو ابررخازن‌های ساخته شده با لیزر

دانشمندان دانشگاه رایس در تگزاس موفق به جهشی چشمگیر در ساخت میکرو ابرخازن‌ها شده اند. در حال حاضر، ساخت آنها گران است اما با استفاده از لیزر می‌توان به زودی این روند را تغییر داد.

سوزاندن الگوهای الکترود بر ورقه‌های پلاستیک با استفاده از لیزر هزینه و سختی فرآیند را به شدت کاهش می‌دهد. نتیجه این امر یک باتری خواهد بود که می‌تواند 50 برابر سریعتر از باتری‌های فعلی شارژ شده و حتی کندتر از ابرخازن‌های فعلی تخلیه شود. این قطعات حتی در آزمایشات پس از ده هزار بار  خم شدن عملکرد خود را از دست نداده اند.

باتری با ساختار اسفنجی

شرکت پریتو(Prieto) معتقد است باتری‌های آینده ساختاری سه بعدی دارند. این شرکت توانسته با بهره‌گیری از یک بستر اسفنجی از‌ترکیبات مسی یک باتری تولید نماید.

این بدان معناست که این باتری‌ها به لطف داشتن الکترولیت غیر قابل اشتعال، نه تنها ایمن‌تر نخواهند بود بلکه از عمر طولانی‌تر، شارژ سریعتر،‌تراکم 5 برابری، هزینه ساخت کمتر و سایز کوچکتر نسبت به نمونه‌های فعلی برخوردار خواهند بود.

پریتو قصد دارد ابتدا باتری‌های خود را در وسایل کوچک مانند گجت‌های پوشیدنی قرار دهد ولی در ادامه با توجه به قابلیت افزایش مقیاس، در آینده می‌توان آنها را در تلفن‌ها و اتومبیل‌ها دید.

 باتری تاشو مقوا مانند

 باتری جناکس جی فلکس (Jenax JFlex)  برای دستیابی به گجت‌های تاشو توسعه داده شده است. باتری ساخته شده مانند مقواست با قابلیت تا شدن و ضد آب؛ به این معنی که می‌تواند در لباس‌ها و سایر پوشیدنی استفاده شود.

این باتری در حال حاضر تولید محدود شده و مورد آزمایشات ایمنی و عملکردی قرار گرفته است. از جمله اینکه بیش از دویست هزار بار بدون کاهش عملکرد تا شده است.

شارژ بی‌سیم یو بیم (uBeam)

یو بیم از امواج مافوق صوت برای انتقال الکتریسیته استفاده می‌کند. انرژی الکتریکی به امواج صوتی خارج از محدوده شنوایی انسان و حیوانات تبدیل شده و به دستگاه گیرنده انتقال می‌یابد و نهایتا دوباره به برق تبدیل می‌شود. مفهوم یوبیم توسط خانم مردیت پری (Meredith Perry)، فارغ‌التحصیل اختر-زیست شناسی، مطرح شده.

او شرکتی را راه‌اندازی نموده که امکان شارژ بی‌سیم با کمک یک صفحه 5 میلی‌تری را فراهم می‌سازد. این فرستنده‌ها می‌توانند به دیوار وصل شده یا به عنوان اقلام هنری و تزئینی استفاده شوند تا بتوانند به تلفن‌های همراه و لپ تاپ‌ها انرژی بدهند. دستگاه هدف برای دریافت شارژ فقط به یک گیرنده نازک احتیاج دارد.