پیمانکار رتبه یک تاسیسات

آشنایی با انواع دستگاه های کمپرسور و بررسی جداگانه کاربرد و عملکرد هر مدل
1398-07-28
آشنایی با استراتژی‌های معماری فضاهای مسکونی در مناطق سرد و کوهستانی ایران(بخش اول)
1398-08-13
Show all

آشنایی با باطری های جامد در سنسورها، ماشین های الکتریکی و شبکه برق

مترجم: حسین حاجی زین العابدینی
آبان ماه ۹۸

 

 

باطری های جامد که امروزه در بازار هستند، باطری های باریکی هستند که از نظر ظرفیت محدود خود می توانند برای ذخیره سازی میکرو مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان مثال، برای تامین برق سنسور ها. اما در نتیجه ی نوآوری در مواد و ساختار، باطری های جامد ممکن است به زودی برای سیستم های ذخیره سازی بزرگ نیز مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان مثال، برای اتومبیل های الکتریکی یا شبکه هوشمند.

ایجاد الکترولیت های جامد با رسانایی لیتیوم-لیون یک پیوند مهم در دستیابی به هدف مذکور است. در imec، یک الکترولیت نانوکاموزیت توسعه یافته که می تواند باطری های جامد را یک قدم به بازار نزدیک تر کند.

 

باطری های جامد

باطری های جامد

 

باطری لیتیوم-لیون مرطوب فعلی

معرفی باطری لیتیوم – لیون قابل شارژ در سال 1991، یک انقلاب واقعی در چشم انداز باطری ایجاد کرد. بر اساس ساختار آن، انرژی بیش تری می تواند در یک حجم اندک ذخیره شود، به این معنی که دستگاه های الکترونیکی مانند لپ تاپ یا تلفن همراه می توانند کوچک تر باشند. به این ترتیب، پیدایش این باطری منجر به رشد سریع دستگاه های الکترونیکی هوشمند و قابل حمل می شود. بدون باطری لیتیوم – لیون، دستگاه های هوشمند ما هرگز نمی توانند با این ظاهر کوچک و ظریف طراحی شوند. امروزه، این می تواند به عنوان راه حلی برای سیستم هایی انتخاب شود که به انرژی بیش تری نیاز دارند، مانند وسایل نقلیه الکتریکی یا مخزن انرژی محلی یا منبع تامین شبکه برق هوشمند. برای این کاربرد ها، پارامتر های دیگری مانند ظرفیت ذخیره سازی (Ah) و طول عمر حائز اهمیت هستند. برای وسایل نقلیه الکتریکی، برق نیز (حداکثر جریان ) مهم است: اتومبیل باید قابلیت شتاب سریع را داشته باشد و ما نیز می خواهیم وسیله نقلیه را در مدت زمان کوتاهی شارژ کنیم. اتومبیل های الکتریکی فعلی به طور کامل به باطری های لیتیوم- لیون وابسته هستند. برای تولید جریان، الکترون ها و یون های لیتیوم از الکترود های منفی به مثبت حرکت می کنند. در طول  شارژ، آنها در جهت مخالف حرکت می کنند. مقدار مواد الکترود عمدتا در تعیین ظرفیت ذخیره سازی نقش دارد. الکترولیت رسانایی یونی بین الکترود ها را امکان پذیر می سازد و قدرت باطری را تعریف می کند. الکترولیت های مایع که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، محدودیت هایی دارند. به عنوان مثال، استفاده از الکترولیت مایع مستلزم استفاده از فضای خاص و همچنین یک غشاء بین آنود و کاتود متخلخل می باشد. این ویژگیها، محدودیت هایی را در ابعاد و طرح این باطری مرطوب ایجاد می کنند. الکترولیت های مایع معمولا قابل اشتعال و فاسد شونده هستند، که باعث ایجاد خطرات ایمنی و سلامتی می شود.

 

باطری های جامد

باطری های جامد

باطری لیتیوم-لیون جامد

چند گزینه برای باطری آینده که بدون خطر هستند و بر این محدودیت ها غلبه پیدا می کند، مورد بررسی قرار گرفته اند – یا حتی بهتر انجام می شوند. در این جا، انتخاب Imec مفهوم باطری های جامد (غیر معدنی) است. با الکترولیت جامد، باطری ها می توانند به هم نزدیک تر باشند، و باعث فشرده تر شدن باطری و در نتیجه ایجاد انرژی بیش تر شوند. متاسفانه، الکترولیت های حالت جامد موجود، رسانایی یونی بسیار پایینی دارند. در نتیجه، یون های لیتیوم فقط می توانند در یک مسافت کوتاه گسترش یابند، به طوری که این باطری ها فقط به شکل باطری های نازک مسطح وجود دارند. این باطری ها به دلیل ظرفیت محدود خود فقط می توانند برای ذخیره سازی میکرو مورد استفاده قرار گیرند. در حال حاضر، تعدادی از این باطری ها در بازار وجود دارند.

 

باطری های جامد

باطری نازک سه بعدی برای ذخیره سازی کوچک با ابعاد میکرو

طرح جامد به طور کامل به معماری های باطری جدید تبدیل شده است، مانند باطری نازک سه بعدی فشرده. در این نوع باطری، یک لایه نازک به جای یک بستر مسطح، روی بستری با ساختار میکرو قرار گرفته است. این روش، استفاده از نوار های نازک برای الکترود و الکترولیت را امکان پذیر می سازد، در حالی که به تراکم انرژی قابل قیاس با تکنولوژی باطری روز دست می یابیم. با این حال، ظرفیت واقعی همچنان به دلیل ابعاد کوچک این باطری ها محدود است. به این دلیل، این که باطری ها بتوانند به سرعت شارژ شوند، به طوری که باطری هرگز به طور کامل تخلیه نشود و میکرو سیستم بدون برق نماند، از اهمیت بالایی برخوردار است. این عمل با استفاده از نوار های نازک با ضخامت چند صد نانومتر امکان پذیر است. در نتیجه، یون ها فقط باید مسافت کوتاهی را حرکت کنند و باطری می تواند ظرف چند دقیقه شارژ شود. این باطری های کوچک برای میکرو سیستم هایی مانند ایمپلنت ها، سنسور ها و کارت های هوشمند در نظر گرفته شده اند. Imec نشان دهنده یک اثبات مفهوم است که در آن الکترود های  (LMO و LTO) روی یک میکروپیلار با استفاده از لیتوگرافی ایجاد شده اند. علاوه بر این، ما روی یک جایگزین برای لیتوگرافی کار می کنیم، به طوری که الکترود های میکرو ساختار می توانند با هزینه کم تری تولید شوند.

 

باطری های جامد

باطری های جامد

باطری کامپوزیت پودر برای سیستم های ذخیره سازی بزرگ

با این الکترولیت، محققان به نقطه  گذار رسیده اند و کار خود را با توسعه یک باطری کامپوزیت پودر جامد آغاز کرده اند. در این باطری، ساختار های الکترود ضخیم تر هستند (> 70 میکرون) و در نتیجه، ظرفیت باطری بیش تر است. الکترولیت جدید با رسانایی یون بیش از  mS/cm، به این معنی است که یون های لیتیوم می توانند در مسافت های بیشتر و بین الکترود ها گسترش یابند.

با این سلول، هدف ما ظرفیت هایی با ترتیب Ah  است. از آن جا که این باطری ها می توانند بیش تر از باطری های لیتیوم –لیون مرطوب موجود فشرده باشند، انرژی بیش تری ایجاد می کنند. این بدان معنی است که آنها می توانند در باتری های دستگاه های الکترونیکی قابل حمل (مانند لپ تاپ یا تلفن همراه) و اتومبیل های الکتریکی آینده، و در سیستم های ذخیره خانگی برای شبکه برق مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این، باطری های جامد، گزینه ی امن تری را برای باطری لیتیوم- لیون مرطوب ارائه می دهند. این یک ارزیابی مهم برای مواردی مانند اتومبیل الکتریکی خواهد بود.

 

منبع:

https://www.renewableenergyworld.com/articles/2016/07

 

یک دیدگاه