"Gigafactories" می تواند روزی میلیون ها باتری خودروهای برقی را در بریتانیا تولید کند. دولت قبلاً ارکان کشور را متعهد کرده است که فروش خودروهای جدید با موتورهای بنزینی و دیزلی را تا سال 2030 ممنوع کنند، بنا بر این به نظر می رسد که وسایل نقلیه برقی (یا EV ها ، که اغلب به اختصار (بر گرفته از electric vehicle) این گونه نامیده می شوند) جایگزین بسیاری از ناوگان امروزی شوند.
خودروسازی نیسان وعده داده است که تولید الکتریکی را در کارخانه ساندرلند خود در شمال شرقی انگلستان تقویت می کند، در حالی که شریک صنعتی آن قرار است یک کارخانه تولید باتری الکتریکی در نزدیکی آن بسازد. در همین حال، در Cheshire ، Stellantis ، مالک Vauxhall اعلام کرده است که 100 میلیون پوند (139 میلیون دلار آمریکا) برای ساخت ون ها و اتومبیل های برقی در کارخانه بندر Ellesmere خود سرمایه گذاری می کند.
ایندیوم یکی از کمیاب ترین عناصر فلزی روی زمین است، اما احتمالاً هر روز به آن نگاه می کنید زیرا همه صفحه های صفحه تخت و لمسی بر لایه ای بسیار نازک از اکسید قلع ایندیوم تکیه می کنند. همه این باتری ها شبیه چه خواهند بود؟ امروزه اکثر خودروهای برقی از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند، اما این ها تعدادی محدودیت دارند. خوشبختانه دانشمندان و مهندسان در حال بررسی روش های متعددی برای غلبه بر این چالش ها هستند که می تواند به افزایش تبدیل خودروها به نوع برقی کمک کند.
باتری های لیتیوم - یونی برای اولین بار در سال 1991 توسط سونی به بازار عرضه شدند و همانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها رایج ترین باتری های قابل شارژ در خودروها هستند. آنها کارآمدتر هستند و طول عمر بیشتری دارند - بین 15 تا 20 سال، تقریباً سه برابر باتری سرب - اسید سنتی. نکته مهم این است که باتری های لیتیوم یونی انرژی بیشتری ذخیره می کنند و همچنین بسیار سبک تر هستند، به این معنی که وسیله نقلیه مجهز به یک دستگاه از این باتری، انرژی کمتری برای حرکت مصرف می کند.
تصویر: کارتریج های نقره ای به کابل های نارنجی و مشکی متصل شده اند. داخل یک بسته باتری لیتیوم خودرو. Smile Fight/Shutterstock
باتری ها با حرکت ذرات باردار به نام یون به عقب و جلو بین دو الکترود، انرژی تولید می کنند. وقتی باتری شارژ می شود، یون های لیتیوم از الکترود ترکیبی اکسید فلز به الکترود گرافیتی منتقل می شوند. هنگامی که باتری برای تغذیه خودرو تخلیه می شود ، یون های لیتیوم بر عکس مسیر قبل حرکت می کنند و باعث می شوند الکترون ها در مدار الکتریکی متصل شده جریان پیدا کنند.
از عناصر کمیاب خاکی در خودروهای برقی و توربین های بادی استفاده می شود، جایی که وجود دو عنصر، نئودیمیوم و پراسئودیمیوم، برای ساخت آهن رباهای قدرتمند در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها بسیار مهم است. چنین آهن رباهایی در همه بلندگوها و میکروفون های تلفن نیز وجود دارد.
تصویر: یک مکانیک یک باتری بزرگ و سفید را در شاسی خودرو جا می دهد. در خودروهای بنزینی و دیزلی از باتری های سرب - اسید استفاده می شود. Somchai_Stock/Shutterstock
آینده باتری های EV
به منظور ارزان تر شدن باتری های لیتیوم - یون، دانشمندان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در ایالات متحده در حال بررسی باتری های لیتیوم آهن فسفات هستند که در آن از عناصر الکترودهای مختلف استفاده می کنند. این مدل باتری بسیار ارزان تر و ایمن تر از باتری های پرکاربرد لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت است و این پتانسیل را دارد که ماشین را با مدت 10 دقیقه شارژ تا 250 مایل تغذیه کند.نگرانی پیرامون مسافتی که خودروهای برقی با شارژ کامل می توانند پوشش دهند نیز انگیزه ای است که خودروسازان را به سمت تولید باتری هایی سوق می دهد که از یک مؤلفه جامد، نه مایع، که الکترودها را از هم جدا می کند در آنها استفاده می شود. این ها ایمن تر هستند و می توانند با یک بار شارژ به EV برای بیش از 300 مایل نیرو برسانند.
اما باتری های لیتیوم مشکلی دارند. لیتیوم در مقایسه با اکثر مواد معدنی معمول، یک عنصر نسبتاً کمیاب روی زمین است. با افزایش تقاضا برای باتری، قیمت لیتیوم به شدت افزایش می یابد. این امر زمین شناسان را بر آن داشته تا منابع جدیدی از لیتیوم را در سراسر جهان جستجو کنند، که اغلب با هزینه های بالای خود همراه است. به عنوان مثال، استخراج لیتیوم از جلگه های نمک در شیلی آب زیادی مصرف می کند، در حالی که آن جا دچار کمبود منابع آب است. کبالت نیز در مقایسه با فلزات مشابه مانند آهن کمیاب است و سنگ های معدن آن در منطقه کنگو آفریقا که از نظر سیاسی ناپایدار است متمرکز است.
یک تلفن همراه حاوی بیش از یک سوم عناصر جدول تناوبی است.یک راه حل، ممکن است استفاده بیش تر از آن چه که در حال حاضر داریم باشد. با فروش بیش از یک میلیون اتومبیل برقی در سراسر جهان در سال 2017، تعداد آنها به سرعت در حال افزایش است، و دانشمندان در حال مطالعه نحوه بازیافت لیتیوم در مقیاس گسترده هستند. برخی در حال بررسی این موضوع هستند که آیا باکتری ها می توانند به آنها در رسیدن به این هدف کمک کنند یا خیر.
در آینده، طراحی باتری هایی که به راحتی قابل پیاده سازی هستند، برای استفاده مجدد از فلزات موجود در آنها بسیار مهم خواهد بود. لیتیوم همچنین یک فلز بسیار واکنش پذیر است و برای افرادی که با آن سر و کار دارند چالش هایی را ایجاد می کند.
همچنین جایگزین های بالقوه ای برای لیتیوم وجود دارد. به عنوان مثال، باتری های سدیم - یون به دلیل هزینه کمتر، مورد توجه تولید کنندگان EV قرار گرفته اند. آنها مشابه باتری های لیتیوم - یون عمل می کنند اما سدیم سنگین تر است و انرژی کمتری ذخیره می کند.
تا حدودی در آینده باتری های چند ظرفیتی وجود خواهد داشت، جایی که یونی که بین الکترودها حرکت می کند دارای باری بیشتر از لیتیوم است و بنا بر این هر یون بیش از یک الکترون به مدار می رساند. چالش های مهمی برای دانشمندان وجود دارد که با این باتری ها کنار بیایند، اما آنها می توانند ذخیره انرژی بیشتری را نیز به ارمغان بیاورند.
ساخت خودروهای برقی کافی با قیمتی که آنها را ارزان تر از خودرو های سوخت فسیلی بسازد یک چالش بزرگ است. در ابتدای تحقیقات باتری، دانشمندان در حال حل این مشکل و ایجاد انقلابی در نحوه سفر ما هستند.
از کبالت تا تنگستن
تصویر: سنگ معدن کبالتیت. Shutterstock
ساخت خودروهای برقی کافی با قیمتی که آنها را ارزان تر از خودرو های سوخت فسیلی بسازد یک چالش بزرگ است. در کالای شما چیست؟ بسیاری از ما به موادی که زندگی مدرن را ممکن می سازد هیچ فکری نمی کنیم. با این حال، فناوری هایی مانند تلفن های هوشمند، وسایل نقلیه برقی، تلویزیون های صفحه نمایش بزرگ و تولید انرژی سبز به طیف وسیعی از عناصر شیمیایی بستگی دارد که اکثر مردم هرگز چیزی از آنها نشنیده اند. تا اواخر قرن بیستم، بسیاری از این فناوری ها به عنوان کنجکاوی صرف تلقی می شدند - اما در حال حاضر آنها ضروری هستند. در حقیقت، یک تلفن همراه حاوی بیش از یک سوم عناصر جدول تناوبی است.
با توجه به این که افراد بیشتری خواهان دسترسی به این فناوری ها هستند، تقاضا برای عناصر مهم در حال افزایش است. اما عرضه منوط به طیف وسیعی از عوامل سیاسی، اقتصادی و زمین شناسی است که باعث ایجاد قیمت های ناپایدار و همچنین سودهای بالقوه زیادی می شوند. این امر سرمایه گذاری در استخراج این فلزات را به مشاغلی پر ریسک تبدیل می کند. در زیر تنها چند نمونه از عناصری آمده است که ما بر آنها تکیه کرده ایم و در چند سال گذشته شاهد افزایش شدید قیمت (و برخی کاهش) بوده اند.
تصویر: از کبالت همچنین برای تولید محصولات آبی رنگ استفاده می شود. Shutterstock
کبالت
از کبالت، قرن ها برای ایجاد شیشه های آبی خیره کننده و لعاب های سرامیکی استفاده می شده است. امروزه این عنصر یک جزء مهم در سوپرآلیاژهای موتورهای جت مدرن و باتری هایی است که تلفن ها و خودروهای برقی ما را تغذیه می کنند. تقاضا برای این وسایل نقلیه در چند سال گذشته به سرعت افزایش یافته است، با ثبت جهانی بیش از سه برابر، از 200،000 در سال 2013 به 750،000 در 2016. فروش گوشی های هوشمند نیز افزایش یافته است - به بیش از 1.5 میلیارد در سال 2017 – اگر چه اولین افت در پایان سال 2018 شاید نشان دهنده این باشد که برخی از بازارها در حال اشباع شدن هستند.دانشمندان در حال مطالعه نحوه بازیافت لیتیوم در مقیاس گسترده هستند. برخی در حال بررسی این موضوع هستند که آیا باکتری ها می توانند به آنها در رسیدن به این هدف کمک کنند یا خیر.در کنار تقاضای صنایع سنتی، این امر باعث افزایش قیمت کبالت از 15 پوند در کیلوگرم به 70 پوند در کیلوگرم در سه سال گذشته شد. آفریقا در طول تاریخ بزرگ ترین منبع مواد معدنی کبالت بوده است، اما افزایش تقاضا و نگرانی در مورد امنیت عرضه به این معنا است که معادن جدیدی در مناطق دیگری مانند ایالات متحده باز می شود. اما در تصویری از بی ثباتی بازار، افزایش تولید باعث سقوط 30 درصدی قیمت ها در ماه های اخیر شده است.
عناصر کمیاب زمین
"عناصر کمیاب خاکی" گروهی متشکل از 17 عنصر هستند. علیرغم نام آنها، ما اکنون می دانیم که آنها چندان هم کمیاب نیستند و بیش تر آنها به عنوان محصولات جانبی استخراج در مقیاس بزرگِ آهن، تیتانیوم یا حتی اورانیوم، به دست می آیند. در سال های اخیر، تولید آنها تحت سلطه چین بوده است، که بیش از 95 درصد از عرضه جهانی را تأمین کرده است.از عناصر کمیاب خاکی در خودروهای برقی و توربین های بادی استفاده می شود، جایی که وجود دو عنصر، نئودیمیوم و پراسئودیمیوم، برای ساخت آهن رباهای قدرتمند در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها بسیار مهم است. چنین آهن رباهایی در همه بلندگوها و میکروفون های تلفن نیز وجود دارد.
قیمت عناصر کمیاب خاکی مختلف متفاوت است و نوسان قابل توجهی دارد. به عنوان مثال، با توجه به رشد خودروهای برقی و استفاده از نیروی باد، قیمت اکسید نئودیمیوم در اواخر سال 2017 با رسیدن به 93 پوند در کیلوگرم، که دو برابر قیمت اواسط سال 2016بود، قبل از کاهش 40 درصدی نسبت به سال 2016، به اوج خود رسید. چنین بی ثباتی و ناامنی عرضه ای به این معنی است که کشورهای بیشتری به دنبال یافتن منابع مخصوص خود برای عناصر کمیاب خاکی یا تنوع بخشیدن به منابع خود در خارج از چین هستند.
تصویر: گالیم در دمای 30 درجه سانتیگراد ذوب می شود. Shutterstock
لیتیوم در مقایسه با اکثر مواد معدنی معمول، یک عنصر نسبتاً کمیاب روی زمین است.
گالیوم
گالیم عنصر عجیبی است. در شکل فلزی خود، می تواند در یک روز گرم (بالای 30 درجه سانتی گراد) ذوب شود. اما هنگامی که با آرسنیک ترکیب می شود و گالیم آرسنید تولید می کند، یک نیمه رسانای قدرتمند با سرعت بالا را می سازد که در میکرو الکترونیک استفاده می شود و تلفن های ما را بسیار هوشمند می کند. با نیتروژن (نیترید گالیم)، در نورهای کم انرژی (LED) با رنگ مناسب استفاده می شود ( LEDها قبل از نیترید گالیم فقط قرمز یا سبز بودند). باز هم، گالیم عمدتا به عنوان محصول جانبی سایر معادن فلزات، بیشتر آهن و روی، تولید می شود، اما بر خلاف این فلزات، قیمت آن از سال 2016 بیش از دو برابر شده و به 315 پوند در کیلوگرم در مه 2018 رسید.
تصویر: وجود ایندیوم برای ساختن صفحه های لمسی حیاتی است. Shutterstock
ایندیوم
ایندیوم یکی از کمیاب ترین عناصر فلزی روی زمین است، اما احتمالاً هر روز به آن نگاه می کنید زیرا همه صفحه های صفحه تخت و لمسی بر لایه ای بسیار نازک از اکسید قلع ایندیوم تکیه می کنند. این عنصر بیشتر به عنوان محصول جانبی استخراج روی به دست می آید و ممکن است از یک هزار تن سنگ معدن فقط یک گرم ایندیوم دریافت کنید.علی رغم نادر بودن، همچنان بخشی ضروری از دستگاه های الکترونیکی است زیرا در حال حاضر جایگزین مناسبی برای آن در ایجاد صفحه لمسی وجود ندارد. با این حال، دانشمندان امیدوارند که شکل دو بعدی کربن معروف به گرافن ممکن است راه حلی ارائه دهد. پس از افت عمده قیمت آن در سال 2015، قیمت این فلز در 17-2016 تا 50 درصد افزایش یافت و به 350 پوند در کیلوگرم رسید، که عمدتاً ناشی از استفاده از آن در صفحه های تخت است.
به منظور ارزان تر شدن باتری های لیتیوم - یون، دانشمندان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در ایالات متحده در حال بررسی باتری های لیتیوم آهن فسفات هستند که در آن از عناصر الکترودهای مختلف استفاده می کنند.
تصویر: استخراج سنگ معدن تنگستن در انگلستان از سر گرفته شد. Shutterstock
امروزه اکثر خودروهای برقی از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند.
تنگستن
تنگستن یکی از سنگین ترین عناصر است که چگای اش دو برابر چگالی فولاد است. زمانی که در لامپ های رشته ای سبک قدیمی از یک رشته نازک تنگستن استفاده می کردند، برای روشنایی خانه های خود به آن متکی بودیم. اما حتی اگر راه حل های روشنایی کم مصرف، لامپ های تنگستنی را حذف کرده اند، اکثر ما همچنان هر روز از تنگستن استفاده می کنیم. همراه با کبالت و نئودیمیوم ، این عنصر چیزی است که باعث می شود تلفن های ما ارتعاش کنند. از هر سه عنصر در جرم کوچک اندازه اما سنگینی که توسط یک موتور در داخل تلفن های ما به منظور ایجاد ارتعاش می چرخد استفاده می شود.تنگستن همچنین همراه با کربن، سرامیک بسیار سختی را برای برش ابزار مورد استفاده در ماشین کاری قطعات فلزی در صنایع هوا فضا، صنایع دفاعی و خودرو ایجاد می کند. از این عنصر در قطعات مقاوم در برابر سایش در استخراج نفت و گاز، معدن و حفاری تونل استفاده می شود. تنگستن همچنین به تولید فولادهای با کارایی بالا می پردازد.
سنگ معدن تنگستن یکی از معدود مواد معدنی است که به تازگی در انگلستان استخراج می شود، و با معدن خفته تنگستن و قلع در نزدیکی پلیموث در سال 2014 بازگشایی شد. این معدن به دلیل بی ثباتی قیمت جهانی سنگ معدن دچار مشکل مالی شده است. قیمت ها از سال 2014 تا 2016 کاهش یافت اما از آن زمان به ارزش اولیه خود رسیده است که این برای آینده معدن امیدوار کننده است.
آنها کارآمدتر هستند و طول عمر بیشتری دارند - بین 15 تا 20 سال، تقریباً سه برابر باتری سرب - اسید سنتی.
منبع: سیمون کاتن، پیتر ریموند اسلیتر، University of Birmingham، هیول جونز، Sheffield Hallam University
