در این مقاله، 10 تکنولوژی پیشرفته باتری که انرژی آینده را تامین می کنند مورد بحث قرار می دهیم. فناوری پیشرفته باتری شامل استفاده از فناوری‌ها و مواد پیچیده در طراحی و تولید باتری‌ها برای افزایش کارآیی و دوام آنهاست. این فناوری می‌تواند شامل حوزه‌های تحقیقاتی مختلفی باشد که بر ایجاد باتری‌هایی با تراکم انرژی، طول عمر و هزینه بهتر و همچنین توسعه روش‌های شارژ نوآورانه مانند شارژ سریع و بی‌سیم متمرکز شده‌اند. تعدادی از فناوری‌های پیشرفته باتری شامل آندهای سیلیکونی و لیتیوم-فلز، الکترولیت‌های حالت جامد، طرح‌های پیشرفته لیتیوم یونی Li-ion، لیتیوم-گوگرد (Li-S)، سدیم-یون (Na-ion)، باتری‌های جریان ردوکس (RFB)، باتری های روی-یون (Zn-ion) ، روی-برم (Zn-Br) و روی-هوا (Zn-air) می‌شوند.
باتری های پیشرفته کاربردهای متعددی در صنایع مختلف پیدا کرده اند. در حال حاضر، آنها در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی، سیستم های ذخیره انرژی، تجهیزات پزشکی، تجهیزات صنعتی و کاربردهای نظامی استفاده می شوند. به عنوان مثال، شرکت Sila Nanotechnologies در حال کار بر روی نوع جدیدی از باتری لیتیوم یونی است که از آند مبتنی بر سیلیکون به جای آند گرافیتی استفاده می کند. این شرکت ادعا می‌کند که این نوع جدید باتری در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی سنتی، چگالی انرژی بالاتر و زمان شارژ سریع‌تری خواهد داشت. هدف این شرکت افزایش 20 تا 40 درصدی چگالی انرژی سلول‌های باتری است.
توسعه و استفاده از آندهای سیلیکونی و آندهای لیتیوم فلزی دو مورد از جالب‌ترین پیشرفت‌های مواد برای باتری‌های لیتیوم یونی هستند. پتانسیل این مواد آند برای افزایش چشمگیر چگالی انرژی هیجان‌انگیز است. با این حال، بهبودهایی در قابلیت نرخ، ایمنی و حتی هزینه نیز در حال بررسی است. مشکلات عمده طول عمر در مورد سیلیکون و فلز لیتیوم، استفاده تجاری را تا این مرحله کند و محدود کرده است. برای باتری های لیتیوم-گوگرد Li-S، ویژگی طول عمر با چالش بیشتری روبروست.
با توجه به اهمیت بخش EV برای کل اقتصاد جهانی، پیش‌بینی می‌شود که فناوری لیتیوم یون در آینده‌ای قابل پیش‌بینی به جایگاه رهبری خود در دنیای باتری ادامه دهد، حتی با وجود مسائلی مانند انتخاب کاتد و آند، پیشرفت‌های طراحی سلول و مقدار افزایش چگالی انرژی، بهبود یک پارامتر عملکرد، مانند چگالی انرژی، هزینه یا پایداری، قیمت تولید همیشه ارجحیت خواهد داشت. این امر حتی در صورت در نظر گرفتن مواد شیمیایی باتری به غیر از باتری های مبتنی بر لیتیوم نیز صادق است.
چگالی انرژی معمولاً توسط جایگزین‌های شیمی مبتنی بر لیتیوم به نفع اعتبار زیست محیطی بیشتر، کاهش هزینه‌های سرمایه یا طول عمر، بهبود قابلیت افزایش چگالی یا عمر چرخه طولانی‌تر قربانی می‌شود. در پایان، الزامات یک کاربرد و بازار خاص، ترکیبی از ویژگی‌های عملکرد و در نتیجه انتخاب فناوری و شیمی را تعیین می‌کند. روش‌های ذخیره‌سازی طولانی‌تر مانند ذخیره‌سازی انرژی ثابت در حال افزایش تقاضا هستند و این فناوری دریچه را برای نوآوری هایی مانند باتری جریان ردوکس باز می کند که به راحتی ظرفیت انرژی را کاهش می دهد و همزمان استفاده از مواد فعال ارزان و در دسترس را امکان پذیر می کند.
البته، بخش باتری EV تمرکز اصلی بسیاری از پیشرفت‌های فناوری باتری است و فرصتی را برای خدمت به بازاری فراهم می‌کند که انتظار می‌رود تقاضا تا سال 2030 از 1500 گیگاوات ساعت نیز فراتر رود. در نیمه دوم دهه بازار باتری‌های برقی انتظار می‌رود تاکید بیشتری بر آند سیلیکون، لیتیوم-فلز و فناوری های حالت جامد داشته باشند. آسیا و چین اکنون بر پردازش مواد لیتیوم یونی و تولید سلولی تاکید دارند، در حالی که ایالات متحده و اروپا به ویژه در این زمان در تلاش هستند تا به منظور جذب و کسب ارزش داخلی زنجیره تامین باتری خود را بسازند و توسعه دهند و سرعت نوآوری و توسعه فناوری های نسل بعدی را تنظیم کنند.
ایالات متحده در حال ظهور به عنوان یک رهبر در فناوری نسل بعدی است که شرکت های نوپا تحت تاثیر موقعیت جغرافیایی به عنوان نماینده نوآوری مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند، این در حالیست که اروپا نیز فعالیت قابل توجهی در این زمینه دارد. با این حال، باید توجه داشت که توسعه فناوری در آسیا با توجه به حضور بیشتر تولیدکنندگان باتری و شرکت‌های سازنده مواد در منطقه، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. پیش بینی می شود بازار فناوری باتری پیشرفته در سال های آینده رشد قابل توجهی را تجربه کند. انتظار می رود مقیاس بازار از 95.7 میلیارد دلار در سال 2022 به 136.6 میلیارد دلار تا سال 2027 با نرخ رشد مرکب سالانه 7.4 درصد افزایش یابد.
برخی از رویه های آتی برای سال 2023 در صنعت فناوری پیشرفته باتری، افزایش استفاده از فناوری حالت جامد، ادغام با انرژی های تجدیدپذیر و مواد خام سازگار با محیط زیست است. برخی از شرکت‌های برتر در این زمینه عبارتند از Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA)، Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) وGeneral Motor Company (NYSE:GM).
همچنین بزرگترین و مهم ترین کارخانه های تولید باتری خودرو در جهان را بخوانید.
متدولوژی ما
این بررسی ها از ارزیابی دقیق صنعت باتری انتخاب شده اند. فن‌آوری‌های باتری که پتانسیل رشد را بر اساس دوام نمونه‌های اولیه تجاری خود نشان می‌دهند، برای این ارزیابی ترجیح داده شدند. علاوه بر مزایای ارائه شده توسط فن آوری های مختلف باتری پیشرفته، اشکالات عمده آنها نیز مورد بحث قرار می گیرد، زیرا معمولاً بهبود یک جنبه از فناوری باتری ممکن است به قیمت از دست دادن جنبه دیگری تمام شود.
پیشرفته‌ترین فناوری‌های باتری که آینده را تحت تاثیر قرار می‌دهند:
10. نسل جدید باتری لیتیوم یون New-Generation Lithium-Ion Battery
یک باتری لیتیوم یونی معمولی از لیتیوم یون به عنوان یک جزء کلیدی در الکتروشیمی خود استفاده می کند. اتم های لیتیوم در آند یونیزه شده و از الکترون های خود جدا می شوند. نسل بعدی باتری‌های لیتیوم یونی بر روی نوآوری‌های تکنولوژیکی در کاتد کار خواهند کرد که تراکم انرژی بالاتر و هزینه‌های کمتر را ممکن می‌سازد. سه نوع باتری لیتیوم یونی وجود دارد که در خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند: لیتیوم فرو فسفات یا فسفات آهن لیتیوم، اکسید کبالت لیتیوم نیکل منگنز و اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت.
با وجود مزایای سازگاری با محیط زیست و پتانسیل کاری کمتر، آند گرافیتی معمولی در باتری‌های لیتیومی با چالش‌هایی مانند ظرفیت محدود برای برآوردن الزامات روندهای نوظهور خودروهای الکتریکی و خودروهای هیبریدی مواجه است. باتری‌های لیتیوم یونی نسل بعدی با چگالی بالاتر دارای مواد آندی جدید هستند. این باتری ها پتانسیل نشان دادن ظرفیت انرژی بالاتر و دوام چرخه بهتر را نسبت به گرافیت معمولی دارند. در حال حاضر، روش‌های مختلفی برای جبران ظرفیت برگشت ناپذیر اولیه آند پیدا شده است. با این حال، برنامه های کاربردی تجاری در مقیاس بزرگ هنوز توسعه نیافته اند.
شرکت هایی مانند تسلا، شرکت (NASDAQ:TSLA)، شرکت تولید نیمه هادی تایوانTaiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) و شرکت جنرال موتور General Motor Company (NYSE:GM) به توسعه فناوری باتری جدید مانند آنچه گفته شد کمک می کنند.
9. باتری لیتیوم-گوگرد Lithium-Sulfur Battery
در باتری های لیتیوم گوگرد، الکترود مثبت گوگرد و الکترود منفی از لیتیوم فلزی تشکیل شده است و ولتاژ سلول آن نسبتاً کمتر از سلول های لیتیوم یونی است و حدود 2 ولت است.
این باتری ها چگالی انرژی چندین برابر باتری های لیتیوم یونی دارند. Li-S دارای انرژی های خاصی در حدود 550 Wh/kg است. برخلاف آن، باتری‌های لیتیوم یونی معمولی دارای برد 150-260 Wh/kg هستند.
گوگرد مورد استفاده به عنوان کاتد در باتری های لیتیوم-گوگرد ارزان تر از کبالت مورد استفاده در باتری های لیتیوم-یونی معمولی است. این باتری ها در آینده به دلیل ذخیره انرژی بیشتر و هزینه کمتر، تقاضای بیشتری نیز دارند.
باتری‌های لیتیوم-گوگرد یک اشکال بزرگ دارند: آنها برای حدود 1000 سیکل شارژ قابل استفاده مجدد هستند در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی را می‌توان 2000 تا 3000 بار شارژ کرد. باتری‌های لیتیوم-گوگرد با بیش از 1500 سیکل شارژ و دشارژ در سال 2017 ارائه شدند، اما آزمایش عمر چرخه آنها در مقیاس تجاری با الکترولیت بدون چربی هنوز نشان داده نشده است.
8. باتری خورشیدی، آب نمک یا سالت واتر Saltwater Battery
باتری آب نمک دارای محلول نمک غلیظ به عنوان الکترود است. مولکول‌های آب، یون‌های سدیم و کلرید را از هم جدا می‌کنند و آنها را آزاد می‌کنند. هنگام شارژ باتری، سدیم از محلول استخراج می شود و آب نمک استخراج شده با اکسیژن محلول در آن تخلیه می شود. این فرآیند به عنوان یک اکسید کننده برای تولید الکتریسیته عمل می کند.
برخلاف باتری‌های لیتیوم یونی معمولی، این باتری‌ها از الکترولیت‌های قابل اشتعال استفاده نمی‌کنند بنابراین ساخت، استفاده و بازیافت آنها را بسیار ایمن‌تر و آسان‌تر می‌کند. محققان کشف کرده اند که محلول نمکی پایداری الکتروشیمیایی تا 2.6 ولت را نشان می دهد. باتری های آب نمک در طول عمر خود می توانند 5000 بار شارژ شوند. با این حال، این باتری ها را می توان فراتر از سیکل های نشان داده شده استفاده کرد زیرا قابل اشتعال و غیر قابل انفجار هستند.
با داشتن چگالی انرژی بالا، آنها می توانند دستگاه های الکترونیکی را برای مدت طولانی تری تغذیه کنند. با این حال، برای دستیابی به آن سطح چگالی، باتری ها باید بزرگتر ساخته شوند ضمن اینکه به مواد بیشتری نیز نیاز دارند. همین موضوع به نوبه خود هزینه تولید و همچنین اندازه باتری های آب نمک را افزایش می دهد. بنابراین، این باتری ها به صورت تجاری مورد استفاده قرار نمی گیرند.
7. باتری حالت جامد Solid State Battery
برخلاف باتری‌های لیتیومی معمولی که از الکترولیت‌های ژل مایع و پلیمری استفاده می‌کنند، باتری‌های حالت جامد از الکترودهای جامد و یک الکترولیت جامد متشکل از سرامیک‌هایی مانند اکسید، شیشه و سولفید و غیره استفاده می‌کنند. این باتری‌ها چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی دارند، بنابراین می توان آن را تا هفت بار با طول عمر ده سال شارژ کرد.
باتری های حالت جامد می توانند انتشار کربن یک وسیله نقلیه الکتریکی را تا 24 درصد کاهش دهند. تحقیقات نشان داده است که استفاده از مواد اضافی در این باتری ها می تواند انتشار کربن خودروهای الکتریکی را تا 39 درصد کاهش دهد. آنها همچنین در ضربان سازها، برچسب های RFID و دستگاه های پوشیدنی نیز استفاده می شوند.
در بحث توسعه باتری های حالت جامد Toyota Motor بعنوان یک شرکت پیشرو در نظر گرفته می شود. در حال حاضر، خودروهای برقی با باتری حالت جامد به صورت تجاری در دسترس نیستند، اما انتظار می‌رود از سال 2025 در خودروهای برقی استفاده شوند. علاوه بر این، خودروهای حالت جامد در خودروهای الکتریکی توسط BMW و Ford آزمایش می‌شوند. شرکت‌های بزرگ در بازار حالت جامد عبارتند از:
Robert Bosch ،Cymbet ،BrightVolt ،Samsung SDI ،QuantumScape ،SolidEnergy Systems وToyota Motor Corporation و غیره.
6. باتری لیتیوم یونی بدون کبالت Cobalt-Free Lithium-ion Battery
کبالت که یک عنصر کلیدی در تولید باتری‌های لیتیوم یونی معمولی است، فلزی گران قیمت محسوب می‌شود. علاوه بر این، 50 تا 60 درصد از منابع کبالت در سراسر جهان در کنگو (DRC) که از نظر سیاسی ناپایدار می باشد و در شرایط کاری مشکوک استخراج می شود قرار دارد. باتری های بدون کبالت با استفاده از مواد جایگزین به عنوان کاتد در باتری های لیتیوم یونی، راه حلی برای این مشکل ارائه می دهند.
باتری لیتیوم یونی بدون کبالت از نظر علم شیمی شامل لیتیوم فروس فسفات و لیتیوم تیتانات است. منگنز و نیکل نیز به عنوان فلزات الکترود برای باتری های بدون کبالت استفاده می شوند. این جایگزین ها نسبت به باتری های استاندارد مبتنی بر کبالت ارزان تر هستند. باتری های یونی مبتنی بر نیکل چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری های مبتنی بر کبالت دارند که به این معنی است که فضای کمتری مصرف می کنند و انرژی بیشتری دارند. باتری های بدون کبالت نیز برای محیط زیست مواد سمی کمتری دارند.
تسلا، تولیدکننده بزرگ خودروهای برقی، اعلام کرد که تقریباً تمام خودروهای تولید شده در سه ماهه اول از باتری‌های آهن فسفات بدون کبالت استفاده می‌کنند. SVOLT، یکی دیگر از تولیدکنندگان باتری های برقی، باتری های بدون کبالت را با استفاده از نیکل و منگنز می سازد. مواد کاتدی مورد استفاده این شرکت حاوی 75 درصد نیکل و 25 درصد منگنز است.
شرکت هایی مانند تسلا، شرکت (NASDAQ:TSLA)، شرکت Taiwan Semiconductor Manufacturing (NYSE:TSM) و شرکت General Motor (NYSE:GM) به توسعه فناوری باتری جدید مانند این نوع باتری کمک می کنند.
5. باتری های لیتیوم یونی آند سیلیکونی Silicon Anode Lithium-Ion Batteries
در این فناوری، آند از سیلیکون ساخته شده و یون های لیتیوم حامل بار هستند. سیلیکون یکی از مواد آند امیدبخش برای باتری های لیتیوم یونی است و ظرفیت آن حدود 4000 میلی آمپر بر گرم است که ده برابر بیشتر از گرافیت است. این آندها یک اتصال دهنده برای افزایش پایداری مکانیکی اضافه می کنند و کربن را هم به عنوان یک افزودنی رسانا استفاده می کنند.
سیلیکون چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یونی را در صورت استفاده به عنوان آند افزایش می‌دهد. هر اتم سیلیکون می تواند تا 3.75 اتم لیتیوم را در حالت کاملاً لیتیه شده خود در مقایسه با یک اتم لیتیوم در هر 6 اتم کربن برای گرافیت کاملاً لیتیه شده متصل کند. از این رو، سیلیکون ظرفیت های وزنی و حجمی زیادی را تشکیل می دهد. عملکرد سیلیکون از گرافیت در باتری خودروهای الکتریکی بالاتر است. همچنین نسبت به سایر مواد ارزان تر است و اثرات زیست محیطی کمتری دارد.
Enovix یک توسعه دهنده و سازنده آند 100٪ سیلیکون است. این شرکت همچنین معماری سلول های سه بعدی را برای چگالی انرژی بالاتر توسعه داده است. باتری آند سیلیکونی در برخی خودروهای الکتریکی استفاده می شود، اما اکثر خودروهای الکتریکی از آن استفاده نمی کنند. دلیل اصلی عدم استفاده از آند سیلیکون، محدوده رانندگی غیرعملی است. همچنین جِرم وسیله نقلیه را افزایش می دهد که منجر به افزایش هزینه ساخت وسایل نقلیه می شود.
4. باتری های تنگستن لیتیومی NanoBolt Lithium Tungsten Batteries
باتری تنگستن لیتیومی NanoBolt یک پیشرفت و تکامل جدید برای باتری های لیتیوم یونی است. این سلول های الکتروشیمیایی ساختار لایه ای دارند که سطح بیشتری را برای انتقال یون ارائه می دهد. بخش آند باتری شامل تنگستن و کربن است. لایه‌های نانو تیوب nanotubes و سایر عناصر ساختار شبکه‌ای در داخل باتری ایجاد می‌کنند که با راندمان بالایی کار می‌کند.
مزیت اصلی NanoBolt این است که انتقال انرژی از طریق باتری سریعتر از باتری های لیتیوم یونی استاندارد است که توانایی باتری را برای شارژ سریع و ماندگاری بیشتر افزایش می دهد. هنگامی که باتری استفاده نمی شود، می توان از مواد نانو به عنوان پوششی برای جداسازی الکترودها استفاده کرد. مواد نانو همچنین توان موجود در باتری را افزایش می دهند بطوریکه زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد باتری را کاهش می دهد. این باتری ها عمدتاً برای وسایل نقلیه الکتریکی و صنایع ساخته می شوند.
3. باتری های اکسید روی-منگنز Zinc-Manganese Oxide
باتری‌های اکسید روی-منگنز (Zn-MnO2) از یک الکترولیت قلیایی استفاده می‌کنند که به عنوان یک فناوری ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای شبکه در حال توسعه است. این باتری عمدتاً برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه مورد هدف قرار می‌گیرد زیرا به دلیل چگالی انرژی بالا با سیستم‌های لیتیوم یونی (~ 400 Wh/L)، الکترولیت آبی نسبتاً ایمن، زنجیره تأمین تأسیس شده و هزینه‌های پیش‌بینی شده کمتر از 100 دلار در کیلووات ساعت در مقیاس آن، رقابت می‌کند.
استفاده از آب به عنوان الکترولیت در باتری‌های اکسید روی-منگنز، آنها را به طور قابل توجهی ایمن‌تر از سایر اشکال سلول‌های الکتروشیمیایی می‌کند. این باتری ها مانند باتری های لیتیوم یونی شعله ور نمی شوند و ایمنی ذاتی بهتری نسبت به باتری های لیتیوم یونی دارند. ضمن اینکه روی ارزان‌تر از کبالت و لیتیوم است، بنابراین ساخت و استفاده از این باتری می‌تواند هزینه ذخیره‌سازی برق را نیز کاهش دهد.
2. باتری های الکترولیتی ارگانوسیلیک Organosilicon Electrolyte Batteries
OS3 یک حلال الکترولیت آلی سیلیسی پیشرفته است که نمک لیتیوم و حلال های کربنات را در یک محلول تثبیت می کند. OS3 در سیستم های الکترولیت مایع و جامد برای بهبود عملکرد باتری لیتیوم یونی کار می کند. همچنین یک عامل کلیدی برای چگالی انرژی بالاتر باتری های لیتیوم یونی و لیتیوم فلزی در نظر گرفته می شود. این ترکیبات دارای دمای انتقال شیشه ای پایین با پایداری شیمیایی و حرارتی برتر هستند. دمای انتقال شیشه ای دمایی است که در آن پلیمر سخت یا شیشه ای به حالت نرم و غیر قابل ذوب تبدیل می شود.
ترکیبات ارگانوسیلیکون به عنوان الکترولیت برای باتری های لیتیوم یونی توجه زیادی را به خود جلب کرده اند زیرا غیر سمی و غیر قابل اشتعال هستند و همچنین دارای فشار بخار پایین تر و نقطه اشتعال بالاتر نسبت به آلکیل کربنات های تجاری هستند. استفاده از ارگانوسیلیکن به دلیل مزایای زیست محیطی مانند انتشار کربن کمتر و کاهش اشتعال پذیری در حال افزایش است. بطوریکه تخمین زده می شود بازار با نرخ رشد سالانه مرکب 64.8 درصد در طول دوره پیش بینی از 2021 تا 2031 افزایش یابد.
صنعت خودروهای الکتریکی و کاربردهای دفاعی استفاده قابل توجهی از باتری‌های سیلیکونی ارگانوسیلیون دارند. برای کاربردهای نهایی مختلف، از جمله ذخیره سازی ثابت، دفاع، لوازم الکترونیکی مصرفی، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر موارد، الکترولیت های سیلیکون ارگانیک اکنون به عنوان یک حلال در باتری های لیتیوم یونی قابل شارژ و همچنین غیرقابل شارژ استفاده می شوند. برخی از شرکت های کلیدی بازار برای این فناوری Orbia و Silatronix هستند.
1. باتری هیدروژن فلزی Metal Hydrogen Battery
باتری هیدروژنی فلزی که با نام باتری نیکل-هیدروژن نیز شناخته می شود، یک منبع انرژی الکتروشیمیایی قابل شارژ مبتنی بر نیکل و هیدروژن است. تفاوت آن با باتری هیدرید نیکل-فلز در استفاده از هیدروژن به شکل گاز است که در یک سلول تحت فشار تا فشار psi 1200 ذخیره می شود. انرژی ویژه این باتری 55 تا 75 وات ساعت بر کیلوگرم است. راندمان شارژ 85 درصد و دوام شارژ بیش از 20000 سیکل را داراست.
باتری های هیدروژن فلزی دارای ویژگی هایی هستند که آنها را برای ذخیره انرژی الکتریکی در ماهواره ها جذاب می کند. برای مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی، پیام‌رسان مرکوری، اودیسه مریخ و نقشه‌بردار جهانی مریخ به باتری‌های نیکل-هیدروژن مجهز شده‌اند. آنها همچنین در تلسکوپ فضایی هابل استفاده می شوند که اولین کاربرد باتری های نیکل-هیدروژن برای ماموریت اصلی مدار پایین زمین (LEO) است. با تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در گازها به انرژی الکتریکی، باتری می تواند برای تامین انرژی موتورهای محرک الکتریکی، باتری های ذخیره موقت یا انواع کاربردهای دیگر استفاده شود.
