ارتقای باتری ها با فناوری نانو
رضیه برجیان
مقدمه
امروزه استفاده از باتری‌ها گسترش‌یافته است. باتری‌ها در عرصه‌های متفاوتی کاربرد دارند. یکی از کاربردهای روزمره آنها باتری گوشی‌ها و تبلت‌ها و لب تاپ‌هاست. افزایش قابلیت شارژ شدن و طول عمر باتری‌ها دو دغدغه اصلی پژوهشگران این عرصه است. در این مقاله به روش‌های مبتنی بر نانو فناوری که در بهبود باتری‌ها نقش دارند، می‌پردازیم. یکی دیگر از عرصه‌های چالش‌برانگیز تهیه باتری‌هایی برای ذخیره انرژی تولیدشده توسط سلولهای خورشیدی خانگی است. جریان الکتریکی تولیدشده به‌وسیله سلولهای خورشیدی مستقیم است و بیشتر برق مصرفی ما جریان الکتریکی متناوب بنابراین این جریان باید ذخیره و تبدیل شود. برای این کار از خازن‌ها و باتریهای قابل شارژ استفاده می‌شود که هرکدام محدودیت‌های خاص خود را دارند. این محدودیت‌های یکی از موانع جدی بر سر گسترش استفاده از سلولهای خورشیدی خانگی برای تولید برق مورد نیاز است.
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است. در عصری که روزبه‌روز مصرف انرژی افزایش می‌یابد و در کنار آن تقاضا برای کاهش حجم و وزن لوازم الکترونیک اوج می‌گیرد، کاهش حجم و وزن باتریهای شارژی یک خواست جدی صنعتی است.
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است. در عصری که روزبه‌روز مصرف انرژی افزایش می‌یابد و در کنار آن تقاضا برای کاهش حجم و وزن لوازم الکترونیک اوج می‌گیرد، کاهش حجم و وزن باتریهای شارژی یک خواست جدی صنعتی است.
نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری
محققان با استفاده از نانولوله‌های کربنی که به‌صورت لایه‌ای نازک، خالص و متراکم بود توانستند از آنها در ساخت الکترودها برای ابرخازن‌ها و باتری‌ها با ظرفیت بالا استفاده کنند. عدم نیاز به افزودن ماده خاصی جهت کنارهم نگه‌داشتن نانولوله‌ها خواص الکتریکی آنها ازجمله قابلیت حمل و ذخیره مقادیر زیاد بار الکتریکی در آنها تقویت می‌کند. به جهت ساختار نانومقیاس نانولوله‌ها که سطح زیادی را ایجاد می‌کند» نانولوله‌ها مقادیر بیشتری بار را نسبت به دیگر شکل‌های کربن ذخیره می‌کنند. اما روش‌های متداول جهت تولید لایه‌هایی از این نانولوله‌ها فاصله زیادی را میان نانولوله‌ها به‌جا می‌گذارند و یا نیاز به افزودن موادی جهت به هم چسباندن نانولوله‌هاست که موجب کاهش رسانایی و ظرفیت باتری می‌شود.
برای این کار می‌توان از روش مونتاژ لایه به لایه استفاده کرد. برای این کار باید در ابتدا محلول آبی از دو نوع نانولوله تولید کرد که یکی از آنها مولکول‌هایی با بار مثبت و در دیگری مولکول‌هایی با بار منفی باشند در مرحله بعد باید یک‌لایه متل سیلیکون را در محلول فرق برد تا نانولوله‌ها متصل شده متناوباً یکدیگر را جذب کرده و بدون نیاز به هیچ‌گونه ماده چسباننده‌ای در کنار هم قرار گیرند.[1]
برای این کار می‌توان از روش مونتاژ لایه به لایه استفاده کرد. برای این کار باید در ابتدا محلول آبی از دو نوع نانولوله تولید کرد که یکی از آنها مولکول‌هایی با بار مثبت و در دیگری مولکول‌هایی با بار منفی باشند در مرحله بعد باید یک‌لایه متل سیلیکون را در محلول فرق برد تا نانولوله‌ها متصل شده متناوباً یکدیگر را جذب کرده و بدون نیاز به هیچ‌گونه ماده چسباننده‌ای در کنار هم قرار گیرند.[1]
افزایش عمر باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی
گروهی از پژوهشگران موفق به یافتن راهی برای واردکردن سیلیکون به ساختار باتریهای شارژی لیتیومی شدند. روش این گروه در به‌کارگیری سیلیکون به شکل نانوسیم موجب رفع موانع موجود در استفاده از سیلیکون شده است و می‌تواند به افزایش عمر باتری‌ها کمک کند. عملکرد باتریهای لیتیومی بر حرکت یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد استوار است. یون‌های لیتیوم در بین لایه‌های ماده آندی که معمولاً گرافیت است، جای طرحی از نانوسیم‌های سیلیکونی شامل پوسته و هسته که می‌گیرند و به این صورت در آند انباشته می‌شوند. در هنگام تخلیه الکتریکی این یون‌ها به سمت کاتد حرکت می‌کنند. یکی از مزایای آند گرافیتی تغییر حجم کم در هنگام ورود یون‌ها به آن است. باتریهای لیتیومی موجود نرخ حرکت سریع یون‌ها را بین پایانه‌ها افزایش می‌دهند. ولی بااین‌وجود این نوع باتری‌ها ظرفیت ذخیره‌سازی الکتریکی محدودی دارند[2].
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است.
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است.
باتری فیلم نازک
یکی از پیشرفته‌ترین باتریهای نسل جدید یعنی باتری فیلم نازک که از فنّاوری نانو کمک گرفته است. این منبع انرژی انقلابی را از لحاظ‌های مختلف چون ابعاد، وزن، چگالی وزنی، چگالی حجمی و همچنین سیکل‌های شارژ و دشارژ را در باتری‌ها ایجاد کرده است. این باتری‌ها انعطاف‌پذیر بوده و برخلاف انواع باتری‌ها به‌صورت ورقه‌های فیلم، نازک می‌باشند. آنها قابلیت تولید انرژی در هر محدوده مساحتی را دارا بوده و در انواع شکل‌ها و اندازه‌ها از چند میکرومتر مربع تا ده‌ها سانتی‌متر مربع با ضخامت 5 الی 25 میکرومتر تولید شده و توانایی قرار گرفتن روی تقریباً تمام سطوح را دارا می‌باشند. این باتری‌ها حاوی هیچ‌گونه بخش مایع نیست و هیچ‌گونه گازی نیز تولید نمی‌کند. این نوع باتری‌ها توسط برخی شرکت‌ها تجاری شده‌اند و می‌توانند روی اکثر سطوح پوشش دهی شوند و در محیط‌هایی قرار داده شود که قبل از این هرگز امکان‌پذیر نبوده است. طبق محاسبات انجام‌گرفته دانشمندان یک پیشرفت با ضریب 8 در چگالی انرژی و ضریب 10 در انرژی مخصوص، نسبت به باتریهای سرب اسیدی را پیش‌بینی کرده و به نتیجه رسانده‌اند.[3]
نانو باتری بادوام 400ساله
گروهی از محققین دانشگاه اروین (Irvine) کالیفرنیا به‌طور اتفاقی موفق به اختراع یک باتری شده‌اند که می‌تواند حدود ۲۰۰ هزار سیکل شارژ را بدون افت توان پشت سر بگذارد. به عبارتی می‌توان از چنین باتری‌هایی تا حدود ۴۰۰ سال استفاده کرد.
این مهم در طی یک آزمایش دوره‌ای سه‌ماهه به اثبات رسیده و نشان می‌دهد باتری تولیدی در حدود ۹۴ تا ۹۶ درصد در واحد کولومبیک (Coulombic) بازده دارد. یک باتری با دوام ابدی بازده ۹۹ درصدی در واحد کولومبیک خواهد داشت.
این باتری با استفاده از فنّاوری نانو تولید شده است. گروه تحقیق به سرپرستی میا لی تای (Mya Le Thai) به دنبال تولید باتریهای بادوام با استفاده از نانولوله‌های طلا بودند. اما باتری آنها به خاطر شکنندگی نانولوله‌ها در حین سیکل‌های شارژ و دشارژ، تنها تا ۸ هزار سیکل دوام می‌آورد. این رقم شاید در مقایسه بادوام کمتر از ۱۰۰۰ سیکل باتری بسیاری از لب‌تاپ‌ها، عالی جلوه کند، اما تا نقطه ایدآل فاصله زیادی دارد.
در این زمان بود که لی تای و گروهش بدون این‌که از کار خود مطمئن باشند، نانولوله‌های مورد آزمایش را با روکشی از دی‌اکسید منگنز پوشاندند و این ترکیب را درون ژل الکترولیتی پلکسی گلس مانندی قرار دادند. این کار منجر به تولید یک باتری شد که در طی چند ماه گذراندن سیکل‌های متعدد شارژ ذره‌ای از توانش کم نمی‌شود.
به نظر می‌رسد ژل به‌کاررفته به‌عنوان الکترولیت، می‌تواند اکسید فلزی روکش نانولوله‌ها را به حالت پلاستیک درآورده و از ایجاد ترک و شکستگی در آنها جلوگیری نماید و بدین‌سان عمر باتری را تا ۴۰۰ سال افزایش دهد.
البته نانو باتری گروه دانشگاه اروین در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارد و هنوز سال‌ها برای تجاری‌سازی آن زمان نیاز است. اما در صورت ورود به بازار می‌تواند راهکاری بسیار مؤثر برای دوام باتریهای پرمصرف خودروهای الکتریکی یا تلفن‌های هوشمند ارائه دهد. به‌خصوص اگر آن را با تکنولوژی کمپانی SolidEnergy برای دو برابر کردن ظرفیت باتری‌ها همراه سازیم.[4]
این مهم در طی یک آزمایش دوره‌ای سه‌ماهه به اثبات رسیده و نشان می‌دهد باتری تولیدی در حدود ۹۴ تا ۹۶ درصد در واحد کولومبیک (Coulombic) بازده دارد. یک باتری با دوام ابدی بازده ۹۹ درصدی در واحد کولومبیک خواهد داشت.
این باتری با استفاده از فنّاوری نانو تولید شده است. گروه تحقیق به سرپرستی میا لی تای (Mya Le Thai) به دنبال تولید باتریهای بادوام با استفاده از نانولوله‌های طلا بودند. اما باتری آنها به خاطر شکنندگی نانولوله‌ها در حین سیکل‌های شارژ و دشارژ، تنها تا ۸ هزار سیکل دوام می‌آورد. این رقم شاید در مقایسه بادوام کمتر از ۱۰۰۰ سیکل باتری بسیاری از لب‌تاپ‌ها، عالی جلوه کند، اما تا نقطه ایدآل فاصله زیادی دارد.
در این زمان بود که لی تای و گروهش بدون این‌که از کار خود مطمئن باشند، نانولوله‌های مورد آزمایش را با روکشی از دی‌اکسید منگنز پوشاندند و این ترکیب را درون ژل الکترولیتی پلکسی گلس مانندی قرار دادند. این کار منجر به تولید یک باتری شد که در طی چند ماه گذراندن سیکل‌های متعدد شارژ ذره‌ای از توانش کم نمی‌شود.
به نظر می‌رسد ژل به‌کاررفته به‌عنوان الکترولیت، می‌تواند اکسید فلزی روکش نانولوله‌ها را به حالت پلاستیک درآورده و از ایجاد ترک و شکستگی در آنها جلوگیری نماید و بدین‌سان عمر باتری را تا ۴۰۰ سال افزایش دهد.
البته نانو باتری گروه دانشگاه اروین در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارد و هنوز سال‌ها برای تجاری‌سازی آن زمان نیاز است. اما در صورت ورود به بازار می‌تواند راهکاری بسیار مؤثر برای دوام باتریهای پرمصرف خودروهای الکتریکی یا تلفن‌های هوشمند ارائه دهد. به‌خصوص اگر آن را با تکنولوژی کمپانی SolidEnergy برای دو برابر کردن ظرفیت باتری‌ها همراه سازیم.[4]
پی نوشت
[1] نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری،پریسا امانی،،فضای نانو شماره21،ص47.
[2] "کارایی باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی" سید رضا اسداله پور،فضای نانو شماره21،ص52.
[3] https://www.civilica.com/ نانو باتریهای فیلم نازک و پیشنهاد کاربرد آن در زیردریایی، جواد طاهران ورنوسفادرانی.
[4] https://www.yjc.ir/fa/news/
منابع
نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری،پریسا امانی،،فضای نانو شماره21.
"کارایی باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی" سید رضا اسداله پور،فضای نانو شماره21.
https://www.civilica.com/ نانو باتریهای فیلم نازک و پیشنهاد کاربرد آن در زیردریایی، جواد طاهران ورنوسفادرانی.
https://www.yjc.ir/fa/news/
