باتری ساختاری؛ باتری بدون جرم

باتری ساختاری؛ باتری بدون جرم

باتری ساختاری، یک منبع ذخیره انرژی بدون جرم است. این باتری، انرژی الکتریکی را در بدنه وسیله الکتریکی ذخیره می‌کند. باتری ساختاری یک نوآوری انقلابی در صنعت باتری سازی است. به طوریکه، وزن خودروهای برقی، هواپیماهای برقی و دیگر وسایل الکتریکی، با باتری ساختاری حدود 50 درصد کاهش می‌یابد. در این مقاله، به معرفی باتری ساختاری و مزایای آن می‌پردازیم. با باتری بازار همراه باشید.

 

 

باتری ساختاری چیست؟

باتری ساختاری چیست؟

باتری‌های ساختاری، انرژی الکتریکی را در مواد ساختاری وسایل الکتریکی ذخیره می‌کنند. مثل بدنه وسایل حمل و نقل برقی. برای مثال؛ این باتری در یک اتومبیل برقی با ساختار خودرو ادغام می‌شود. با این ادغام، عملا باتری جرمی و وزنی مخصوص به خود نخواهد داشت. و از جرم بدنه خودرو استفاده خواهد کرد.

بدنه وسایل الکتریکی که باتری ساختاری دارند، از جنس مواد چندمنظوره یا کامپوزیت باتری ساختاری است.

ایده باتری‌های ساختاری از مسابقات فرمول یک دهه 60 میلادی، الهام گرفته شده است. در مسابقات سال 1960، تیم BRM و تیم لوتوس (Lotus)، موتور و سیستم انتقال قدرت خودرو مسابق خودرو را با ساختار شاسی ترکیب کردند. در نتیجه وزن خودرو بسیار سبک تر از حالت عادی شد.

در باتری ساختاری هم، باتری با قسمتی از ساختار وسیله الکتریکی ترکیب می‌شود. و ضمن کاهش وزن چشمگیر، باعث افزایش بازده آن وسیله خواهد شد.

 

 

کاربرد باتری ساختاری

کاربرد باتری ساختاری

یکی از کاربردهای اصلی باتری‌های ساختاری، استفاده از آن در اتومبیل‌های برقی است. این باتری، به صورت کامپوزیت در بدنه اتومبیل برقی تعبیه می‌شود. دیگر کاربردهای این باتری، در هواپیماهای برقی، هواپیماهای بدون سرنشین،کوآدکوپترها، دوچرخه برقی، وسایل الکتریکی مثل لپ تاپ و گوشی های هوشمند و…

با روی کار آمدن باتری‌های ساختاری، به سرعت و در عرض چند سال گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، دوچرخه‌های برقی و هزاران وسیله الکتریکی دیگر با وزن نصف امروزشان تولید می‌شوند. همچنین خودروها و هواپیماهای برقی، ماهواره‌ها و… با این باتری بسیار پیشرفته‌تر خواهند شد.

 

 

مزایای باتری ساختاری

مزایای باتری ساختاری

باتری شارژی ساختاری، یک فناوری نوپا است. که هنوز به صورت کامل تجاری سازی نشده است. با ورود فناوری ذخیره انرژی بدون جرم به بازار، شاهد انقلابی در وسایل برقی؛ به خصوص صنایع حمل و نقل برقی خواهیم بود. در این بخش از مطلب، مزایای باتری ساختاری را بیان می‌کنیم.

  • باتری شارزی ساختاری باعث کاهش وزن چشمگیر وسایل الکتریکی مخصوصا وسایل حمل و نقل برقی خواهد شد. استفاده از این باتری، باعث کاهش 460 کیلوگرمی وزن خودروهای برقی خواهد شد. که تاثیر عالی بر هندلینگ خودرو خواهد داشت.
  • کاهش وزن وسایل الکتریکی باعث کارآمدتر شدن آن‌ها می‌شود. با توجه به اینکه؛ یک وسیله نقلیه سبک‌تر به انرژی کمتری برای حرکت نیاز خواهد داشت، بازده محصول افزایش پیدا می‌کند.
  • همچنین سرعت وسایل نقلیه که باتری ساختاری دارند، افزایش می‌یابد.

دیگر مزیت این باتری ، از بین بردن مشکلات ناشی از وزن زیاد باتری وسایل حمل و نقل برقی است.  در حال حاضر، اتومبیل‌های برقی، باتری لیتیوم یونی دارند. این باتری‌ها وزن زیادی داشته، و نه تنها سرعت و مسافت حرکت اتومبیل را تحت تاثیر قرار می‌دهند. بلکه انرژی بسیار زیادی حتی بیشتر از خودروهای بنزینی و گاز سوز؛ نیاز دارند. برای مثال، یک چهارم از وزن خودرو تسلا S، مربوط به باتری آن است.

 

 

اهمیت باتری ساختاری

اهمیت باتری ساختاری

باتری‌های ساختاری، با هدف از بین بردن معایب باتری‌های کنونی توسعه یافتند. باتری شارژی ساختاری، به عنوان یک منبع ذخیره انرژی سبک، برای صنایع حمل و نقل و بسیاری از کالاهای مصرفی ضروری است. و پژوهشگران سال‌هاست در راستای تولید انبوه این باتری تلاش می‌کنند.

باتری به عنوان یکی از اصلی‌ترین لوازم زندگی و صنعت، روز به روز در حال پیشرفت و بهتر شدن است. برای مثال باتری‌های نیکل کادمیم با اینکه توان خروجی بسیار خوبی داشتند، اما به دلیل داشتن اثر حافظه رفته رفته جای خود را به باتری‌های نیکل متال هیدرید و لیتیوم یونی دادند. و یا توجه همه دنیا به باتری آهن هوا، به عنوان نجات دهنده آینده زمین.

همچنین، آینده باتری خودرو برقی نیز تغییراتی کرده است. کمپانی‌های خودروسازی برجسته دنیا مدتی است از باتری‌های سرب اسید به دلیل آلودگی زیست محیطی بالا، استفاده نمی‌کنند.

برای مثال، کمپانی IBM، در جدیدترین دستاوردهای خود و در راستای حفظ سلامت محیط زیست، باتری‌های شارژی بدون فلزات سنگین، نظیر نیکل و کبالت را وارد بازار کرده است.

 

 

تحقیقات کشورهای مختلف روی ذخیره انرژی بدون جرم

جدیدترین دستاورد درمورد باتری‌های ساختاری، مربوط به دانشمندان دانشگاه فناوری چالمرز و محققان آزمایشگاه فناوری سلطنتی KTH سوئد است. بودجه ساخت باتری شارزی ساختاری توسط دانشگاه چلمرز و موسسه KTH را، آژانس ملی فضایی سوئد تأمین می‌کند.

اولین تحقیقات برای ساخت کامپوزیت باتری‌های ساختاری، توسط آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده آمریکا در سال 2007 انجام گرفت. در این تحقیقات، ورقه‌ای از جنس فیبر کربن(CF) برای الکترود منفی و یک توری فلزی برای الکترود مثبت به کار گرفته شد. الکترودها توسط الیاف پشم شیشه محصور شدند.

اما به دلیل مشکل عایق الکتریکی ضعیف، این کامپوزیت به خوبی کار نکرد. در ادامه این تحقیقات از الکترودهای تقویت شده و الکترولیت‌های پلیمری و ژل نیز استفاده کردند. و در آخر موفق به تولید باتری ساختاری با چگالی انرژی 35 وات کیلوگرم شدند.

باتری-ساختاری-تسلا

همچنین کمپانی تسلا، یکی دیگر از شرکت‌های ایالات متحده آمریکا است؛ که در حال انجام تحقیقات گسترده‌ای روی باتری‌های ساختاری است.

در نیمه اول 2021، محققان دانشگاه صنعتی چالمرز اعلام کردند؛ که به پیشرفت‌های بزرگی در زمینه باتری ساختاری برای خودروها و هواپیماهای برقی دست پیدا کرده‌اند. محققان این دانشگاه با همکاری موسسه فناوری KTH استکهلم، توانستند باتری شارژی ساختاری بسازند؛ که از نظر ذخیره انرژی الکتریکی، مقاومت، یکپارچگی و قدرت بسیار بهتر از نمونه‌های قبلی در دنیاست.

 

 

باتری ساختاری دانشگاه چالمرز

باتری ساختاری دانشگاه چالمرز

باتری ساختاری این دانشگاه، از ادغام الکتروشیمیایی لیتیوم یون در ساختار بدنه‌ای از کامپوزیت کربن، ساخته شده است. این باتری، شامل الکترودهای منفی کربنی، الکترودهای مثبت ساخته شده از اکسید فلز و الکترولیتی هستند که در هنگام شارژ و دشارژ، یون لیتیوم را از آند به کاتد و برعکس منتقل می‌کنند.

از الیاف کربن به عنوان الکترود منفی استفاده می‌شود. و الکترود مثبت به کار رفته در این باتری، ورقه آلمینیوم ساخته شده با لیتیوم آهن فسفات است. ورقه آلومینیومی پوشش داده شده با لیتیوم آهن فسفات، در الکترود مثبت قرار دارد.

همچنین از یون‌های لیتیوم برای جابه جابی بار استفاده می‌شود. به این صورت که یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت جریان می‌یابند. جداکننده الکترودها، یک پارچه فایبرگلاس در داخل ماتریس الکترولیت است. این جداکننده و الکترولیت به حرکت یون‌های لیتیوم کمک می‌کنند.

باتری ساختاری تولید شده توسط دانشگاه چالمرز، عملکرد ده برابری نسبت به تمام نمونه‌های قبلی خود دارد. این باتری علاوه بر استحکام مطلوب، توانایی خوبی در ذخیره انرژی الکتریکی از نظر شیمیایی از خود نشان می‌دهد.

 

 

استفاده از فیبر کربن در باتری ساختاری دانشگاه چالمرز

استفاده از فیبر کربن در باتری ساختاری دانشگاه چالمرز

الیاف کرین (فیبر کربن-CF) به عنوان الکترود منفی در این باتری استفاده شده است. استفاده از فیبر کربن به 3 دلیل زیر است:

  • فیبر کربن انرژی شیمیایی به خوبی ذخیره می‌کند.
  • فیبر کربن رسانای خوبی است.
  • ساختار فیبر کربن قوی و مستحکم است.

در نتیجه فیبر کربن، نیاز به مواد دیگر را کاهش می‌دهد. اما استفاده از فیبر کربن برای استحکام و ذخیره انرژی، باعث بروز یک مشکل خواهد شد. استحکام زیاد فیبر کربن، باعث کاهش انرژی ذخیره شده خواهد شد. و اگر ظرفیت ذخیره سازی انرژی افزایش یابد، استحکام کاهش پیدا خواهد کرد.

محققان دانشگاه چالمرز، در حال تلاش برای برقراری یک رابطه مطمئن بین استحکام و ظرفیت ذخیره سازی انرژی در فیبر کربن هستند. تا این مشکل برطرف شود.

الیاف کربن با بلورهای بزرگ و جهت‌های بالا، سختی بیشتری نسبت به الیاف کربن با بلورهای کوچک و کم جهت دارد. الیاف کربن با سختی بالا، بیشتر برای ساخت بدنه هواپیماها استفاده می‌شود. از این رو استفاده از الیاف کربن با سختی و استحکام کمتر، برای وسایل نقلیه شخصی مشکل ساز نخواهد بود. الیاف کربن با استحکام کمتر، انرژی بیشتری ذخیره خواهند کرد.

 

 

 

آیا ذخیره انرژی بدون جرم، تجاری می‌شود؟

با تمام تحقیقات انجام شده روی منبع ذخیره انرژی بدون جرم، تاکنون باتری ساختاری با خواص مکانیکی و الکتریکی خوبی ساخته نشده. اما پیشرفت‌های این حوزه حاکی از نزدیک شدن به این هدف است.

باتری ساخته شده در دانشگاه چالمرز سوئد، چگالی انرژی حدود 24 وات ساعت بر کیلوگرم(Wh/Kg) دارد. در صورتی که چگالی انرژی انواع باتری لیتیوم یون 60 تا 90 وات ساعت بر کیلوگرم است. در نتیجه ظرفیت این باتری‌های ساختاری، تقریبا 20 درصد ظرفیت باتری-های لیتیوم یون کنونی است.

اما این تفاوت ظرفیت قابل توجیه است. زیرا استفاده از باتری‌های ساختاری، باعث کاهش وزن خودرو خواهد شد. به این ترتیب، برای راندن خودرویی که باتری ساختاری دارد، به انرژی کمتری نیاز داریم. پس باتری‌های ساختاری ظرفیتی به اندازه باتری‌های لیتیوم یونی نیاز ندارد.

همچنین سختی یا استحکام  این باتری ساختاری، حدود 25 گیگاپاسکال است. اگر چه این مقدار کمتر از سختی دیگر باتری‌هاست. اما قابل رقابت خواهد بود.

با این حال محققان دانشگاه چالمرز، در حال توسعه این باتری، برای دست یافتن به چگالی انرژی 75 وات ساعت بر کیلوگرم و سختی 75 گیگاپاسکال هستند. محققان این پروژه امیدوارند که با اعمال تغییرات زیر، به این هدف برسند.

  • جایگزینی بیشتر الکترود مثبت با فیبر کربن و نازک کردن جداکننده. با این کار، چگالی انرژی و سختی باتری افزایش پیدا خواهد کرد.
  • نازک کردن بسیار زیاد لایه جداکننده (پارچه فایبر گلاس). در نتیجه، میزان شارژ دهی باتری افزایش پیدا خواهد کرد.

 

لیف آسپ، استاد دانشگاه فناوری چالمرز، می‌گوید: ” تلاش‌های قبلی برای ساخت باتری‌های ساختاری، منجر به سلول‌هایی با خواص مکانیکی خوب یا خواص الکتریکی خوب شده است.”

“اما در اینجا، با استفاده از فیبر کربن، ما موفق به طراحی باتری ساختاری با ظرفیت ذخیره انرژی و مقاومت رقابتی شدیم.”(منبع)

 

 

کلام آخر

تلاش‌های دانشمندان و محققان برای تجاری سازی باتری ساختاری، تا به امروز پیشرفت‌های چشمگیری داشته است. کامپوزیت‌های باتری‌های ساختاری که تاکنون ساخته شده است؛ عملکرد الکتروشیمیایی و مکانیکی خوبی از خود نشان داده. اما هیچ کدام از تحقیق‌ها، هنوز به ترکیب صد درصدی دست پیدا نکرده است.

بالاترین کارایی مربوط به باتری ساختاری پلیمر شیشه‌ای است. یک باتری ساختاری درصورتی کارآمد خواهد بود؛ که علاوه بر داشتن قدرت، یکپارچگی ساختار را هم بر هم نزند.

 

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اسکرول به بالا