دانشمندان موفق به ساخت ‌يک نمونه از باتري ليتيوم اکسيژن شدند که چگالي انرژي بسيار بالايي دارد و با بازدهي 90 درصد، تا به امروز بيش از 2000 مرتبه شارژ شده است. ويژگي‌هاي جالب اين باتري نشان مي‌دهند که چطور مي‌توان از موانعي که بر سر راه گسترش ذخيره‌سازهاي انرژي وجود دارند عبور کرد.

باتري‌هاي ليتيوم اکسيژن و ‌يا ليتيوم-هوا از لحاظ نظري چگالي انرژي ده برابر نسبت به باتري‌هاي ليتيوم‌-يوني دارند. به همين دليل امروزه اين باتري‌ها به عنوان عالي‌ترين باتري‌هاي ساخته شده لقب گرفته‌اند. چگالي انرژي اين نسل از باتري‌ها آنقدر زياد است که مي‌توان آن‌ها را با بنزين مقايسه کرد.‌ يک خودروي برقي با باتري ليتيوم-هوا مي‌تواند مسافت بين شهرهاي لندن تا ادينبورگ (حدود 400 مايل) را با‌ يک بار شارژ طي کند. البته لازم به ذکر است که اين باتري‌ها بر روي خودروهاي برقي‌ يک پنجم وزن و‌ يک پنجم هزينه‌ي باتري‌هاي ديگر را دارند.

با اين وجود، برخي چالش‌ها و موانع عملي بر سر راه ساخت اين نسل از باتري‌ها وجود دارد. لازم است که دانشمندان قبل از جايگزيني بنزين با باتري‌هاي ليتيوم اکسيژن، اين موانع را رفع کنند.

هم اکنون دانشمندان دانشگاه کمبريج نمونه‌ي اوليه‌ي ‌يک باتري ليتيوم اکسيژن آزمايشگاهي را رونمايي کرده‌اند که ظرفيت بالاتري نسبت به مدل‌هاي مشابه خود دارد . اين باتري بازدهي بيشتر و مقاومت بالاتري را در شرايط گوناگون نشان مي‌دهد. اين نمونه‌ي اوليه،  با استفاده از‌يک الکترود بسيار متخلخل و نرم کربني که از گرافين ساخته شده است، کار مي‌کند. گرافين از ورقه‌هاي کربني با ضخامت فقط‌ يک اتم کربن تشکيل شده است. دانشمندان با افزودن موادي به باتري، توانسته‌اند روند واکنش‌هاي شيميايي را تغيير دهند و باتري را مقاوم‌تر و پربازده‌تر کنند. با اين وجود که نتايج منتشر شده از اين پژوهش‌ها در ژورنال‌هاي علمي ‌اميدوارکننده هستند، اما محققان معتقدند که هنوز حدود‌ يک دهه براي دستيابي عملي کامل به باتري‌هاي ليتيوم اکسيژن زمان لازم است.

پروفسور کلر گري ( Clare Grey) از دانشکده‌ي شيمي‌ دانشگاه کمبريج مي‌گويد: «آنچه ما به دست آورده‌ايم،‌ يک پيشرفت مهم براي اين فناوري محسوب مي‌شود و حوزه‌هاي کاملاً تازه‌ي پژوهشي را براي محققان مي‌گشايد. اما رسيدن به اين دستاورد‌ها به اين معني نيست که مسائل ذاتي مربوط به شيمي‌ باتري‌هاي ليتيوم اکسيژن مرتفع شده باشند. بلکه اين پيشرفت‌ها، گام‌هايي در جهت حل مشکلات عملي ساخت نسل جديد باتري‌ها است.»

بسياري از تکنولوژي‌هايي که ما هر روز در حال استفاده از آن‌ها هستيم، همه ساله کوچک‌تر، ارزان‌تر و سريع‌تر مي‌شوند. استثنايي که در اين ميان جلب توجه مي‌کند، باتري‌ها هستند. اگر از باتري گوشي‌هاي هوشمند که مي‌توانند تا چند روز تلفن همراه را روشن نگه دارند بگذريم، به دو حوزه‌ي مهم مي‌رسيم که پيشرفت در فناوري باتري‌ها، کمک قابل توجهي به پيشرفت اين حوزه‌ها مي‌کند: خودروهاي برقي و ذخيره‌سازي انرژي خورشيدي در مقياس نيروگاهي.

دکتر تائو لويي (Tao Liu)، از دانشکده‌ي شيمي ‌دانشگاه کمبريج مي‌گويد: « باتري‌ها در ساده ترين شکل خود از سه عنصر اصلي ساخته شده‌اند: الکترود مثبت، الکترود منفي و‌ يک الکتروليت. در باتري‌هاي ليتيوم ‌يوني که در گوشي‌هاي هوشمند و رايانه‌هاي همراه ما به کار رفته‌اند، الکترود منفي از گرافيت (شکلي از کربن) و الکترود مثبت از اکسيد‌ يک فلز، مانند ليتيوم کبالت اکسيد ساخته شده‌اند. الکتروليت اين نوع باتري‌ها نيز نمک ليتيوم است که در‌يک حلال آلي حل شده است. عملکرد اين باتري به حرکت‌ يون‌هاي ليتيوم بين دو الکترود مثبت و منفي بستگي دارد. باتري‌هاي ليتيوم ‌يوني سبک هستند. اما ظرفيت آن‌ها با زياد شدن طول عمرشان کاهش پيدا مي‌کند. همچنين چگالي انرژي نسبتاً کم آنها، نشان مي‌دهد که بايد به طور مداوم شارژ شوند.»

در طول دهه‌ي اخير دانشمندان اصلاح‌ها و تغيير‌هاي زيادي را بر روي باتري‌هاي ليتيوم‌ يوني اعمال کرده‌اند. اما باتري‌هاي ليتيوم اکسيژن به دليل چگالي انرژي بالايي که دارند،  عالي ترين و کامل ترين باتري‌هاي نسل جديد محسوب مي‌شوند. نمونه‌هاي ابتدايي اين باتري‌ها بازدهي پاييني داشتند، واکنش‌هاي شيميايي ناخواسته‌اي نيز در آن‌ها رخ مي‌داد و فقط مي‌توانستند در اکسيژن خالص چرخه‌ي خود را طي کنند. اما نمونه‌اي که لوئي، گري و همکارانشان موفق به ساخت آن در ‌يک محيط آبي شده‌اند، شيمي ‌متفاوتي دارد. در اين باتري به جاي ليتيوم پراکسيد (Li2O2) از ليتيوم هيدروکسيد (LiOH) استفاده شده است. با اضافه شدن آب و استفاده از ليتيوم ‌يديد به عنوان‌ يک واسطه، ديگر واکنش‌هايي که منجر به از بين رفتن باتري مي‌شدند رخ ندادند. در واقع اين ترفندها موجب افزايش مقاومت و طول عمر باتري پس از چرخه‌هاي متوالي شارژ و تخليه شدند. 

محققان با استفاده از الکترود بسيار متخلخل که با دقت بالاي مهندسي ساخته شده بود، افزودن ليتيو‌م يديد و تغيير ترکيب شيميايي الکتروليت توانستند شکاف ولتاژ ميان شارژ و تخليه‌ي باتري را به 2/0 ولت کاهش دهند که منجر به افزايش بازدهي باتري شده است. شکاف ولتاژ شارژ و تخليه‌ي نمونه‌هاي قبلي باتري‌هاي ليتيوم-هوا عددي بين 5/0 تا 1 ولت بود. اين در حالي است که مقدار عددي 2/0 ولت بيشتر به باتري‌هاي ليتيوم‌ يوني نزديک است و معادل بازدهي 93 درصد مي‌باشد.       

الکترود بسيار متخلخل همچنين باعث افزايش ظرفيت باتري شده است. البته اين پديده فقط در تعداد خاصي شارژ و تخليه مشاهده شده است. از جمله مسائل ديگري که هنوز مطرح هستند،‌يافتن روشي براي حفاظت از الکترود فلزي است. زيرا اين الکترود به مرور زمان به شکل الياف باريک دوکي شکلي از ليتيوم در مي‌آيد که دندريت نام دارد و مي‌تواند با رشد بيش از حد و کوتاه کردن اتصال باتري، موجب انفجار آن شود. مسئله‌ي ديگر اين است که اين نوع باتري‌ها فقط مي‌توانند در اکسيژن خالص چرخه‌ي خود را طي کنند. در حالي که در هوا ترکيب‌هاي ديگري مانند کربن دي اکسيد و نيتروژن و رطوبت نيز وجود دارند که مي‌توانند به الکترود فلزي آسيب برسانند.

لوئي مي‌گويد: «هنوز کارهاي زيادي هست که بايد انجام دهيم. اما آنچه که تاکنون انجام داده‌ايم نشان مي‌دهند که راه‌هايي براي حل اين مشکلات وجود دارد. فقط بايد از زاويه‌اي متفاوت اين موانع را بررسي کنيم.»  گري نيز مي‌گويد: «با اين وجود که هنوز مباني مطالعاتي زيادي در رابطه با باتري‌هاي ليتيوم-هوا وجود دارند که به آن‌ها نپرداخته‌ايم، نتايج پژوهش‌هاي اخير از لحاظ فني و عملي بسيار مهم و جالب توجه هستند. کار ما نشان داد که مي‌توان به‌ يافتن راه حل مشکلاتي که در اين تکنولوژي ديده مي‌شوند اميدوار بود.»

منبع:

Phys.org

منابع مفيد:

Sciencemag.org (براي مطالعه ي مقاله ي تخصصي چرخه ي باتري)

New Technologies takes on Li-Ion Batteries 

Race on Next Generation of cars

Tesla Patent describe hybrid battery pack system for EVs

Digitaltrends.com

Nature Chemistry: High Performance lithium-air battery

باتري‌هاي ليتيوم-هوا و سديم-هوا

الگورتيمي که سرعت شارژ باتري را دو برابر مي‌کند

باتري ليتيوم-گوگرد

الکتروليز

آند-کاتد

الکتروشيمي

باتري خودرو