روشی برای ساخت باتری های ایمن تر و قوی تر خودرو های الکتریکی
نیو وبلاگ: پژوهشگران آمریکایی، روش جدیدی برای ساخت باتری خودرو های الکتریکی ارایه داده اند که آنها را قوی تر می کند و میزان خطر آنها را کم می کند.
به گزارش نیو وبلاگ به نقل از ایسنا و به نقل از ساینس دیلی، باتری های حالت جامد که هم اکنون در دستگاه های الکترونیکی کوچک مانند ساعات هوشمند استفاده می شوند، این پتانسیل را دارند که از باتری های لیتیوم-یونی، ایمن تر و قوی تر باشند و برای مواردی مانند خودرو های الکتریکی و ذخیره انرژی حاصل از پنل های خورشیدی جهت استفاده بعدی به کار بروند. با این وجود، قبل از این که باتری های حالت جامد به شکل گسترده به کار بروند، چندین چالش فنی باقی می ماند.
پژوهشی که به سرپرستی "آزمایشگاه های ملی ساندیا"(Sandia National Laboratories) در آمریکا انجام شده است، یکی از این چالش ها را برطرف می کند. در این پژوهش، یک فرضیه قدیمی مورد بررسی قرار گرفته است در خصوص اینکه افزودن مقداری الکترولیت مایع برای بهبود عملکرد، ایمنی باتری های حالت جامد را از بین می برد. پژوهشگران دریافتند که در خیلی از موارد، باتری های حالت جامد با کمی الکترولیت مایع، ایمن تر از باتری های لیتیوم-یونی هستند. همچنین، آنها دریافتند که اگر باتری با اتصال کوتاه، همه انرژی ذخیره شده خودرا آزاد کند، می تواند مقدار خطرناک گرما را از بین ببرد.
"الکس بیتس"(Alex Bates)، سرپرست این پژوهش اظهار داشت: باتری های حالت جامد، پتانسیل ایمن تر بودن و داشتن چگالی بالاتری از انرژی را دارند. این بدان معناست که برای وسایل نقلیه الکتریکی، می توانیم فاصله بیشتری را بین شارژها داشته باشیم یا برای ذخیره انرژی در مقیاس شبکه، از باتری های کمتری استفاده نمائیم. افزودن الکترولیت مایع ممکنست به پر کردن شکاف تجاری سازی، بدون به خطر انداختن ایمنی کمک نماید.
توسعه باتری های بهتر با کمک علم شیمی
باتری های حالت جامد تا حدودی شبیه به باتری های لیتیوم-یونی هستند. در هر دو باتری، یون های لیتیوم از یک طرف به سمت دیگر حرکت می کنند؛ در صورتیکه الکترون ها در مداری جریان می یابند تا دستگاه را تغذیه کنند. یک تفاوت بزرگ این است که در سرتاسر باتری لیتیوم-یونی، ماده ای وجود دارد که به حرکت سریع یون های لیتیوم کمک می کند؛ آن ماده الکترولیت مایع است.
"لورین تورس کاسترو"(Loraine Torres-Castro)، از پژوهشگران این پروژه، الکترولیت مایع را با ناوگانی از خودروهایی که به جاده ها می روند، مقایسه می کند. الکترولیت مایع، یون های لیتیوم را مستقیما به جایی که باید بروند منتقل می کند. با این وجود، الکترولیت های مایع فعلی، قابل اشتعال هستند و می توانند به انفجار یا آتش سوزی باتری منجر شوند؛ به ویژه زمانی که باتری لطمه دیده باشد.
در یک باتری حالت جامد، الکترولیت مایع با یک ماده جامد موسوم به الکترولیت جامد جایگزین می گردد که به حرکت سریع یون های لیتیوم نیز کمک می نماید. بیتس اظهار داشت: یکی از چالش های فنی این است که بااینکه یون های لیتیوم می توانند به سرعت در الکترولیت جامد حرکت کنند اما حرکت آنها از الکترولیت جامد به الکترودها و بالعکس دشوار است. الکترولیت جامد را می توان با قطاری مقایسه کرد که یون های لیتیوم را به سرعت به ایستگاه منتقل می کند اما مسافران باید مسافت بیشتری را سفر کنند تا به خانه برسند.
یکی از راه هایی که دانشمندان بواسطه آن، این شتاب مستقیم، سرعت شارژ باتری و عملکرد آنرا افزایش داده اند، اضافه کردن کمی الکترولیت مایع به قطب مثبت باتری است.
"یولیا پرگر"(Yuliya Preger)، از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: باتری های حالت جامد در جامعه پژوهشی، بحث های زیادی را در مورد ایمنی استفاده از الکترولیت مایع پدید آورده اند. تعدادی از دانشمندان می گویند که الکترولیت مایع هر مقدار باشد، ناامن است. ما بجای اینکه فقط این حرف را بپذیریم، محاسباتی را انجام دادیم تا ببینیم که تأثیرات الکترولیت مایع چه می تواند باشد.
باتری های حالت جامد چقدر ایمن هستند؟
پژوهشگران برای اینکه بفهمند یک باتری حالت جامد با کمی الکترولیت مایع چقدر ایمن خواهد بود، کار خودرا با محاسبه میزان گرما در یک باتری لیتیوم-یون شروع کردند که مقادیر مختلفی از الکترولیت مایع را در بر دارد. همه باتری های آزمایش شده دارای مقادیری از انرژی ذخیره شده بودند. سپس پژوهشگران، اتفاقات منفی را که ممکنست برای باتری ها رخ دهد و گرمایی را که به سبب هر نوع خرابی آزاد می شود، بررسی کردند.
"جان هیوسون" (John Hewson)، از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: ما کار خودرا با تعیین مقدار انرژی شیمیایی در سه نوع باتری شروع کردیم.
کاسترو اظهار داشت: اولین اتفاق بدی که ممکنست رخ دهد، این است که باتری ها آتش بگیرند. ما دریافتیم که در این موارد، باتری حالت جامد با کمی الکترولیت مایع در آن، حدود یک پنجم گرمای یک باتری لیتیوم-یون قابل مقایسه را تولید می کند که به میزان الکترولیت مایع آن بستگی دارد. باتری حالت جامد بدون وجود الکترولیت مایع، در این شرایط هیچ گرمایی تولید نمی کند.
دومین اتفاق بدی که ممکنست برای باتری ها رخ دهد، این است که شارژ کردن و تخلیه شارژ بصورت مکرر موجب می شود که فلز لیتیوم، خوشه ای موسوم به دندریت بوجود آورد. پرگر اظهار داشت: دندریت می تواند سوراخی را بوجود آورد که دو طرف را جدا از یکدیگر نگه می دارد و به اتصال کوتاه منجر می شود. این یک مشکل شناخته شده در مورد همه باتری هایی است که در یک طرف دارای فلز لیتیوم هستند. هر سه باتری در این مورد، مقادیر مشابهی از گرما را تولید کردند که به مقدار فلز لیتیوم در باتری ها بستگی داشت.
سومین اتفاق بدی که ممکنست برای باتری های حالت جامد رخ دهد، شکستن الکترولیت جامد است. بگفته کاسترو، اگر باتری خرد یا سوراخ شود، به اکسیژن موجود در یک طرف باتری اجازه می دهد تا با فلز لیتیوم در طرف دیگر واکنش نشان دهد. در این موارد، باتری حالت جامد بدون الکترولیت مایع می تواند به دمایی نزدیک به باتری لیتیوم-یونی برسد که برای پژوهشگران شگفت آور بود.
از محاسبات ایمن تا بررسی های آزمایشگاهی
پرگر اظهار داشت: یکی از وعده های باتری های حالت جامد این است که آنها ایمن هستند برای اینکه الکترولیت جامد، محکم است و احتمال شکستن باتری ها کم می شود اما اگر باتری شکسته شود، افزایش دما می تواند به اندازه زمانی باشد که باتری های لیتیوم-یونی از کار می افتند. این پژوهش، اهمیت مهندسی دقیق را برجسته می کند.
بیتس اظهار داشت: ما متوجه شدیم که اگر باتری حالت جامد دارای فلز لیتیوم باشد، بدون توجه به اینکه الکترولیت مایع دارد یا خیر، پتانسیل خطرناک بودن را دارد. آنچه که ما در این پژوهش کوشیدیم به آن اشاره نماییم، این است که یک معاوضه مشخص بین عملکرد و ایمنی وجود دارد اما افزودن کمی مایع ممکنست عملکرد را تا اندازه زیادی افزایش دهد و تنها تأثیر کمی بر ایمنی داشته باشد.
کاسترو اضافه کرد: درک این معاوضه ممکنست به تسریع تجاری سازی کمک نماید. داشتن وضوح و اطمینان از این که وجود مقدار کمی الکترولیت مایع، مشکلات ایمنی بزرگی ایجاد نمی کند، ممکنست به توسعه باتری های حالت جامد تجاری کمک نماید.
این پژوهش، در مجله "Joule" به چاپ رسید.
منبع: نیو وبلاگ
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب