مواد ترموالکتریک چگونه عمل می‌کنند؟

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

ترمو الکتریسیته

مواد ترموالکتریک (TE) مواد عامل داری هستند که دارای خواص دوگانه ای می باشند. آنها قابلیت تبدیل حرارت به الکتریسیته و بالعکس را دارا می باشند. ترموالکتریسیته می تواند در تمام مواد رسانا ایجاد شود. وقتی یگ گرادیان دمایی در سراسر یک سیم ایجاد شود، الکترون ها از بخش گرم تر به بخش سرد تر نفوذ می کنند. علت این مسئله، سرعت گرمایی بیشتر الکترون ها در ناحیه ی گرم تر است. در نتیجه، یک تفاوت بار در میان ناحیه ی سردتر و گرم تر ایجاد می شود و همین امر منجر به تولید یک ولتاژ می شود. این ولتاژ موجب ایجاد یک جریان الکتریکی می شود. به طور مشابه، یک جریان می تواند به سیم اعمال شود تا بدین صورت حرارت از بخش گرم تر به بخش سرد تر، حرکت کند.
مواد ترموالکتریک می توانند هم برای سرد کردن و هم برای تولید برق، مورد استفاده قرار گیرند. اگر چه وسایل در حقیقت دارای بازده تبدیل 10 % می باشند، آنها به صورت قابل توجهی در مقایسه با تکنولوژی های تبدیل، مورد توجه هستند، علت این مسئله، این است که مبدل هیچ قطعه ی متحرکی ندارد و بنابراین، قابلیت اطمینان بیشتری دارندد. علاوه بر این، این وسایل مقیاس پذیر هستند و از این رو، می تواند از آنها برای تولید برق برای وسایل بسیار کوچک، استفاده کنند. در واقع در تولید برق به این روش، هیچ آلودگی در محیط آزاد نمی شود. اگر مواد ترموالکتریک به خوبی پیشرفت کنند، وسایل ترموالکتریکی ممکن است جایگزین سیستم های سرمایشی کنونی در بخچال ها، شود. این مواد می توانند در تولید برق در ماشین ها نیز استفاده شوند. این کار در واقع با استفاده از حرارت اگزوز، انجام می شود. باتری های قابل شارژ یک سری وسایل ذخیره سازی انرژی هستند که برای ایجاد توان در ادوات الکتریکی کوچک مانند گوشی های موبایل و لپ تاپ ها، استفاده می شود. در این بخش ها، توان بالا و سبکی، دو عامل بسیار مهم می باشند. به عبارت ساده، یک باتری یک وسیله ی الکتروشیمیایی است که می تواند جریان مستقیم را از طریق یک سری واکنش های اکسایش و کاهش ایجاد کند. علارغم پتانسیل های قابل توجه این مواد، مواد ترموالکتریک هنوز نتوانسته اند به خوبی عمل کنند و هم اکنون تنها در برخی کاربردهای محدود، استفاده می شوند (به طور خاص برای NASA و برای تولید برق سفینه های فضایی که فاصله ی زیادی از خورشید دارند و بدین صورت پیل های سوختی آنها کار نمی کند (شکل 1). مشکل این است که این فرایند بازده خوبی نداد و مواد ترموالکتریکی نیازمند استفاده از مواد هستند که رسانایی الکتریکی خوب و رسانایی گرمایی ضعیف داشته باشند، به نحوی که تفاوت دمایی در داخل ماده حفظ شود. به طور خاص، مواد ترموالکتریکی بر اساس شایستگی، طبقه بندی می شوند. ZT که به صورت ZT=S2σT/k تعریف می شود (S ترمو پاور (ضریب Seebeck)، σ رسانایی الکتریکی، k رسانایی الکتریکی و T دمای مطلق می باشد). برای رقابت با یخچال ها و ژنراتورای معمولی، مواد ترموالکتریک با ZT بالاتر از 3 باید تولید شوند. هنوز در طی 5 دهه تحقیقات، ZT دمای اتاق نیمه رساناهای بالک، تنها به میزان اندکی افزایش یافته است و از 0.6 به 1.0 رسیده است. این چالش در حقیقت به خاطر وابستگی ه S، T و k ایجاد می شود. در واقع تغییر یکی موجب تغییر در دیگری می شود و از این رو، بهینه سازی این فاکتورها، خود چالشی بزرگ است.
مواد ترموالکتریک چگونه عمل می‌کنند؟
به هر حال، در سال های اخیر، این گزارش داده شده است که افزایش قابل توجهی در خواص مواد ترموالکتریکی، ایجاد شده است. در تمام این موارد، ماده نانوساختار بوده است. محققین در حال بررسی جزئی این نانومواد هستند تا بدین صورت در مورد نتیجه ی پیکربندی یا دینامیک و انتقال فوتونی را بهتر بفهمند. چیزی که واضح است، این است که برای حصول خواص بهینه، مواد باید تقارن بالایی در سطح نانو داشته باشند و حاوی عناصر سنگین باشند تا بدین صورت رسانایی گرمایی پایینی داشته باشند.
برخی از مثال های از مواد ترموالکتریک نانوساختار، عبارتند از آلیاژهای half-heuster (ZrNiSn) می باشند. همچنین PbTematerials نیز جزء مواد ترموالکتریک می باشند.

باتری های قابل شارژ

باتری های قابل شارژ یک سری وسایل ذخیره سازی انرژی هستند که برای ایجاد توان در ادوات الکتریکی کوچک مانند گوشی های موبایل و لپ تاپ ها، استفاده می شود. در این بخش ها، توان بالا و سبکی، دو عامل بسیار مهم می باشند. به عبارت ساده، یک باتری یک وسیله ی الکتروشیمیایی است که می تواند جریان مستقیم را از طریق یک سری واکنش های اکسایش و کاهش ایجاد کند. الکترود مثبت کاهش می یابد (الکترون دریافت می کند) و الکترود منفی اکسید می شود (الکترون از دست می دهد). باتری شامل یک الکترود مثبت است که روبروی الکترود منفی قرار گرفته است. بین این دو الکترود نیز بخشی متخلخل قرار دارد که از اتصال مستقیم بین الکترودها، جلوگیری می کند. در بین این الکترودها در حقیقت یک الکترولیت یونی قرار دارد که در حقیقت یک محیط رساناست که حرکت یون ها را از یک الکترود به الکترود دیگر، تضمین می کند. باتری های بر پایه ی تداخل، از یون های کوچک لیتیم استفاده می کنند (شکل 2). این باتری ها حداقل دارای یک الکترود فعال اکسایش و کاهش هستند که دارای ساختار کریستالی باز با حفراتی کوچک می باشد. این کار تداخل یون لیتیم را تسهیل می کند. وقتی باتری شارژ می شود، یون لیتیم از یک الکترود مثبت به الکترود منفی انتقال می یابد. این کار از طریق الکترولیت انجام می شود. در زمان تخلیه، اتفاقی عکس می افتد و انرژی در فرایند رهایش می یابد. به طور ایده آل، ساختار کریستال اکسایش – کاهش فعال باید توانایی تداهل یون های کوچک لیتیم را مقدور سازد.
مواد ترموالکتریک چگونه عمل می‌کنند؟
نانوتکنولوژی بر روی ظرفیت انرژی، توان باتری و نرخ شارژ و طول عمر باطری، اثرگذار است
مشکلات مربوط به باتری های قابل شارژ لیتیمی، شامل چندین موضوع می باشد. اولین مسئله، ظرفیت انرژی باتری است. در واقع ظرفیت باید به گونه ای باشد که اجازه دهد یون ها و الکترون ها سریع تر حرکت کنند و از بخش فعال خارج شوند (این کار موجب تسریع در عملیات شارژ و دشارژ می شود). در واقع این ماده باید به صورت لایه ی نازک پوشش دهی شود. این مسئله در واقع میزان ماده ی فعالی را محدود می کند که می تواند در ظرفیت باتری، مشارکت کند. برای باتری های با ظرفیت بالا، ضخامت این لایه افزایش می یابد تا بدین صورت ذخیره سازی انرژی بیشتری انجام شود اما این مسئله نیز موجب کندی در شارژ می شود.
موضوع دوم، مسئله ی توان باتری است. یک مسئله ی مهم در باتری های بزرگ، ظرفیت آنها برای تحویل سریع برق می باشد. توان بوسیله ی قابلیت حذف یونی در باتری های لیتیمی، محدود می شود. این مسئله به خواص الکتروشیمیایی باتری وابسته می باشد. همچنین مسئله ی دیگر نرخ شارژ شدن است. این باتری ها نیازمند زمان های طولانی تری برای شارژ شدن هستند. این زمان در حد ساعت ها می باشد. زمان شارژ شدن با قابلیت نرخ مشارکت یون لیتیم در داخل الکترود گرافیتی، محدود می شود.
عمر مفید باتری های لیتیمی باید بهبود یابد. در باتری های کنونی، هر زمان لیتیم به الکترود گرافیتی وارد و خارج می شود، تخلخل های الکترودی باید منبسط و منقبض شوند. این انبساط و انقباض تکراری موجب ایجاد خستگی در ذرات گرافیت می شود که در واقع در نهایت منجر به شکست و کاهش کارایی باتری می شود.

نانومواد به عنوان جایگزینی برای الکترودهای متداول

مواد کامپوزیتی نانوکریستالی و نانوتیوب ها، می تواند جایگزین الکترودهای گرافیتی متداول و الکترودهای گرافیتی- لیتیمی شوند. این مواد می توانند به گونه ای سنتز شوند که اندازه ی مشابهی با یون های لیتیمی داشته باشند. این مسئله موجب می شود تا مواد فعال بیشتری بر روی الکترودها، جای بگیرند و ظرفیت انرژی افزایش یابد. یک الکترود نانوساختار با حفراتی که اندازه ی آنها مشابه یون های لیتیم است، موجب افزایش عمر باتری ها و اطمینان یافتن از نرخ های شارژ بالا می شود. در آینده، نانوتکنولوژی همچنین اجازه ی یک حرکت به سمت ایجاد لایه های مسطح از مواد الکترودی و تولید الکترودهای مسطح مثبت و منفی را مقدور می سازند. این معماری های سه بعدی می توانند موبیلیته ی یون ها و الکترون ها را افزایش دهند و بدین صورت، توان باتری افزایش یابد.
در این زمینه، این جالب توجه است که در دسامبر 2007، Yi Cui و همکارانش در دانشگاه استنفورد آمریکا، از نانوسیم های سیلیکونی بر روی مواد آندی استفاده کردند. سیلیکون بالک در گذشته به عنوان یک ماده ی جایگزین برای گرافیت مورد بررسی قرار گرفته بود زیرا این ماده دارای پتانسیل تخلیه ی پایین و ظرفیت بار الکتریکی بالا می باشد. به هر حال، آندهای بالک سیلیکونی، دارای عمر باتری کوتاهی هستند و ظرفیت آنها به دلیل کاهش تماس الکتریکی میان مواد فعال و کلکتور جریان، کاهش می یابد. این مشکلات در واقع از این حقیقت نشئت می گیرند که حجم آندهای سیلیکونی تقریباً در طی سیکل باتری، 400 % تغییر می کنند. این مسئله نتیجه ای از باد کردن (شارژ باتری) و شرینکیج (تخلیه ی باتری) در زمان ورود و خروج یون های لیتیمی از آند، می باشد.
گروه تحقیقاتی در دانشگاه استنفورد، یک آند سیلیکونی بالک و معمولی را نانوسیم های سیلیکونی ((SiNW جایگزین کردند. این نانوسیم ها به صورت مستقیم بر روی آندهای سیلکونی رشد داده شده بودند. این باتری ها، 75 % از ماکزیمم ظرفیت تخلیه ی خود را حفظ کردند. این کار پتانسیل تجاری سازی و تولید باتری های لیتیمی با کارایی بالا را دارا می باشد.

باتری های کاغذی

برخی از کارهای جالب توجه در این زمینه نیز اخیر بوسیله ی انستیتوی پلیتکنیک Rensselaer آمریکا، گزارش شده است. محققین این انستیتو، ماده ی کامپوزیتی را مورد استفاده قرار داده اند که در حقیقت ظرفیت انرژی بالا را به همراه انعطاف پذیری مطلوب، ایجاد می کند. محققین فهمیدند که آنها می توانند نانوتیوب های کربنی را با یک لایه ی سلولزی ترکیب کنند (سلولز ماده ای که در تولید کاغذ، مورد استفاده قرار می گیرد). در این مورد، آنها موفق به تولید باتری های کاغذی شدند که به صورت رولی و یا تا شده، مورد استفاده قرار می گیرند، مشابه با کاغذ. این باتری ها مشابه تمام باتری یها، از الکترود، الکترولیت و یک جداکننده، تشکیل شده است. الکترود اول بوسیله ی نانوتیوب های چند دیواره ای ایجاد شده است که به صورت عمودی تشکیل شده اند. این مواد بر روی زیرلایه های سیلیکونی رسوب داده می شوند. سلولز گیاهی بر روی این لایه ی بالای ریخته گری می شود و پس از جامد شدن، خشک می شوند. این کار موجب تشکیل یک جداکننده ی متخلخل می شود. لایه ی کاغذ میانی سپس با یک مایع یونی آغشته می شود و به عنوان الکترولیت عمل می کند. این ماده ی الکترولیت، می تواند نمکی آلی باشد که در دمای اتاق، مایع است. مایع یونی، حاوی آب نیست و بنابراین، هیچ چیزی در این باتری وجود ندارد که یخ بزند و یا تبخیر شود. این مسئله موجب می شود تا گستره ی دمایی مجاز این باتری ها، افزایش یابد. این باتری ها، توانایی مقاومت در برابر دماهای 195 تا 450 k را دارا می باشند. برای تولید این باتری ها، الکترود ثانویه ای بوسیله ی پوشش دهی کاغذ با لیتیم اکسید، تشکیل می شود. این جالب است که همین ماده می تواند به جای ابرخازن مورد استفاده قرار گیرد اگر کاغذ را از وسط تا کنیم به نحوی که یک الکترود کربنی در بالا و پایین قرار گیرد. این تیم همچنین قادر به تولید وسایل ذخیره سازی دوگانه ای شده اند که حاوی سه الکترود می باشند و به عنوان ابرخازن و باتری کار می کنند.

گستره ی کاری باتری ، عمر مفید و مسائل ایمنی

باتری های لیتیمی در حال حاظر، گستره ی دمای عملیاتی محدودی دارند. در زیر دمای صفر درجه و بالاتر از 50 درجه ی سانتیگراد، این باتری ها نمی توانند شارژ شوند. در بالاتر از دمای 130 درجه ی سانتیگراد نیز این باتری ها ایمنی خود را از دست می دهند که علت این مسئله، مشکلات عدم ایمنی آنها می باشد. در واقع خراب شدن حرارتی این باتری ها به دلیل واکنش گرافیت با الکترولیت، رخ می دهد. این مسئله همچنین می تواند به دلیل وجود ناخالصی ها در باتری نیز ایجاد شود. در نهایت، باتری های لیتیمی از فلزات سمی تولید شده اند و بنابراین برای محیط زیست، مناسب نیستند.
ایمنی باتری می تواند افزایش یابد اگر الکترود گرافیتی در باتری لیتیمی با مواد نانوساختاری جایگزین شوند که نسبت به الکترولیت، خنثی باشند. نانوتکنولوژی همچنین از مواد فعال دیگری بهره خواهند برد که ارزان قیمت و غیر سمی هستند. برای مثال، مگنتیت غیر سمی به عنوان مواد فعال در الکترولیت های نانوساختار مس با ظرفیت بالا، استفاده می شوند (شکل 3). باتری های لیتیمی نانوساختار به یک واقعیت تجاری تبدیل شده اند و بوسیله ی برخی از شرکت ها، به فروش می رسند.
مواد ترموالکتریک چگونه عمل می‌کنند؟
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff