تازه‌های علم و صنعت
نوبل شیمی و نقش باطری‌های لیتیومی در زندگی امروز
بخش بزرگی از فناوری‌های قابل‌حمل و سامانه‌های نوین انرژی، به یک فناوری مشترک وابسته‌اند: باطری‌های لیتیوم‌یون. از تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا خودروهای برقی، تجهیزات پزشکی، سامانه‌های پشتیبان برق و…
تاریخ انتشار: ۱۸ شهریور ۱۴۰۵ · بازبینی فنی: تیم کارشناسان اطلس انرژی
مقدمه
بخش بزرگی از فناوری‌های قابل‌حمل و سامانه‌های نوین انرژی، به یک فناوری مشترک وابسته‌اند: باطری‌های لیتیوم‌یون.
از تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا خودروهای برقی، تجهیزات پزشکی، سامانه‌های پشتیبان برق و ذخیره‌سازهای انرژی تجدیدپذیر، باطری‌های لیتیومی امکان ذخیره‌سازی انرژی در ابعاد کوچک، با وزن کمتر و بازدهی بالاتر را فراهم کرده‌اند.
اهمیت این فناوری به اندازه‌ای است که در سال ۲۰۱۹، جایزه نوبل شیمی به سه دانشمند مؤثر در توسعه باطری‌های لیتیوم‌یون، یعنی جان بی. گودناف، ام. استنلی ویتینگهام و آکیرا یوشینو، اعطا شد. این جایزه فقط تقدیر از یک اختراع آزمایشگاهی نبود؛ بلکه تأییدی بر نقش بنیادین باطری‌های لیتیومی در شکل‌گیری جامعه دیجیتال و گذار به انرژی پاک بود.
جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۹ به چه دلیل اعطا شد؟
آکادمی سلطنتی علوم سوئد در سال ۲۰۱۹، جایزه نوبل شیمی را به‌دلیل «توسعه باطری‌های لیتیوم‌یون» به سه پژوهشگر اعطا کرد.
این فناوری بر پایه حرکتی برگشت‌پذیر از یون‌های لیتیوم میان دو الکترود شکل گرفته است:
- هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت به الکترود منفی منتقل می‌شوند.
- هنگام دشارژ، یون‌ها به سمت الکترود مثبت بازمی‌گردند.
- الکترون‌ها از مسیر خارجی حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی مورد نیاز تجهیزات را تأمین می‌کنند.
این فرآیند را می‌توان به‌صورت ساده چنین نمایش داد:
ویژگی مهم این فرآیند، برگشت‌پذیری آن است؛ یعنی باطری می‌تواند پس از تخلیه، دوباره شارژ شود و چرخه ذخیره و مصرف انرژی را تکرار کند.
سه دانشمند نوبل چه نقشی در توسعه این فناوری داشتند؟
توسعه باطری لیتیوم‌یون نتیجه یک اختراع منفرد نبود، بلکه حاصل چند دهه پژوهش در زمینه مواد الکترودی، الکترولیت‌ها و واکنش‌های الکتروشیمیایی بود.
استنلی ویتینگهام؛ آغاز استفاده از لیتیوم در باطری‌های قابل شارژ
در دهه ۱۹۷۰، استنلی ویتین۰، استنلی ویتینگهام روی موادی کار کرد که می‌توان در ساختار خود جای دهند. این پدیده که درج یونی یا Intercalation نام دارد، پایه مهمی برای باطری‌های لیتیوم‌یون شد.
ویتینگهام از دی‌سولفید تیتانیوم به‌عنوان ماده کاتدی و لیتیوم فلزی به‌عنوان آند استفاده کرد. این ساختار امکان ساخت باطری قابل شارژ را فراهم می‌کرد، اما استفاده از لیتیوم فلزی با خطراتی مانند رشد ساختارهای سوزنی‌شکل موسوم به دندریت همراه بود.
دندریت‌ها می‌توانند باعث اتصال کوتاه داخلی و افزایش خطر آتش‌سوزی شوند. به همین دلیل، توسعه نسل ایمن‌تر باطری به مواد و معماری جدید نیاز داشت.
جان گودناف؛ افزایش ولتاژ و چگالی انرژی
جان گودناف با بررسی مواد اکسیدی فلزی، به این نتیجه رسید که استفاده از اکسیدهای لایه‌ای حاوی لیتیوم می‌تواند ولتاژ باطری را افزایش دهد.
کار او روی اکسید کبالت لیتیوم، راه را برای تولید باطری‌هایی با:
- ولتاژ بالاتر؛
- چگالی انرژی بیشتر؛
- ابعاد کوچک‌تر؛
- قابلیت استفاده در تجهیزات قابل‌حمل
هموار کرد.
چگالی انرژی یکی از شاخص‌های اصلی عملکرد باطری است و معمولاً با رابطه زیر بیان می‌شود:
هرچه چگالی انرژی بیشتر باشد، باطری می‌تواند در وزن یا حجم مشابه، انرژی بیشتری ذخیره کند.
آکیرا یوشینو؛ حرکت به سمت باطری تجاری ایمن‌تر
آکیرا یوشینو استفاده از لیتیوم فلزی خالص را کنار گذاشت و به‌جای آن از ماده‌ای کربنی، یعنی کک نفتی، برای نگهداری یون‌های لیتیوم در الکترود منفی استفاده کرد.
این تغییر چند مزیت مهم داشت:
- کاهش خطر واکنش‌پذیری لیتیوم فلزی؛
- افزایش ایمنی عملیاتی؛
- امکان استفاده از فرآیند شارژ و دشارژ برگشت‌پذیر؛
- نزدیک شدن فناوری به تولید صنعتی و تجاری.
در نهایت، این مسیر پژوهشی به عرضه نخستین باطری‌های لیتیوم‌یون تجاری در سال ۱۹۹۱ منجر شد.
باطری لیتیوم‌یون چگونه کار می‌کند؟
هر سلول لیتیوم‌یون معمولاً از اجزای اصلی زیر تشکیل می‌شود:
- آند: الکترود منفی در زمان دشارژ؛
- کاتد: الکترود مثبت در زمان دشارژ؛
- الکترولیت: محیط انتقال یون‌های لیتیوم؛
- جداکننده: لایه‌ای عایق که از تماس مستقیم دو الکترود جلوگیری می‌کند؛
- جمع‌کننده‌های جریان: قطعات فلزی برای انتقال الکترون به مدار خارجی.
در زمان دشارژ، یون‌های لیتیوم درون الکترولیت از آند به کاتد حرکت می‌کنند. هم‌زمان، الکترون‌ها از مدار خارجی عبور می‌کنند و انرژی الکتریکی قابل استفاده را به وجود می‌آورند.
در زمان شارژ، منبع خارجی انرژی جهت این حرکت را معکوس می‌کند.
تفاوت حرکت یون و الکترون
یکی از نکات مهم در عملکرد باطری این است که:
- یون‌ها درون ساختار باطری و از طریق الکترولیت حرکت می‌کنند؛
- الکترون‌ها از مسیر خارجی و مدار مصرف‌کننده عبور می‌کنند.
جدا بودن این دو مسیر، امکان تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را فراهم می‌کند.
چرا باطری‌های لیتیومی تحول‌آفرین شدند؟
باطری‌های لیتیوم‌یون در مقایسه با بسیاری از فناوری‌های پیشین، ترکیبی مطلوب از چگالی انرژی، وزن، بازده و قابلیت شارژ مجدد ارائه کردند.
مهم‌ترین مزایا
چگالی انرژی بالا
لیتیوم یکی از سبک‌ترین عناصر شیمیایی است و پتانسیل الکتروشیمیایی بالایی دارد. این ویژگی به ساخت باطری‌هایی با انرژی قابل‌توجه و وزن نسبتاً کم کمک می‌کند.
وزن کمتر
وزن کمتر باطری، در تلفن همراه، لپ‌تاپ، ابزارهای قابل‌حمل و خودروهای برقی اهمیت مستقیم دارد.
نرخ خوددشارژی پایین‌تر
در بسیاری از کاربردها، باطری‌های لیتیومی در زمان عدم استفاده، انرژی کمتری نسبت به برخی فناوری‌های قدیمی از دست می‌دهند.
قابلیت طراحی در قالب‌های گوناگون
این باطری‌ها در قالب سلول‌های استوانه‌ای، منشوری و پاکتی تولید می‌شوند و می‌توانند در تجهیزات کوچک یا سامانه‌های ذخیره‌سازی بزرگ استفاده شوند.
باطری‌های لیتیومی در زندگی امروز کجا استفاده می‌شوند؟
تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل
تلفن همراه، لپ‌تاپ، تبلت، ساعت هوشمند، دوربین و هدفون‌های بی‌سیم، از مهم‌ترین کاربردهای روزمره باطری‌های لیتیوم‌یون هستند.
کوچک‌سازی تجهیزات بدون کاهش قابل‌توجه زمان کارکرد، تا حد زیادی به افزایش چگالی انرژی این باطری‌ها وابسته بوده است.
خودروهای برقی و حمل‌ونقل
خودروهای برقی برای ذخیره انرژی مورد نیاز موتورهای الکتریکی به پک‌های باطری بزرگ مجهز هستند. در این کاربردها، بزرگ مجهز هستند. در این کاربردها، زیر اهمیت دارند:
- توان قابل تحویل؛
- سرعت شارژ؛
- مدیریت حرارتی؛
- طول عمر چرخه‌ای؛
- ایمنی در تصادف؛
- وزن و حجم پک باطری.
سامانه‌های ذخیره‌ساز انرژی
در نیروگاه‌های خورشیدی، ساختمان‌ها، مراکز داده، تأسیسات مخابراتی و صنایع، باطری‌ها انرژی را در زمان تولید یا خرید ارزان ذخیره و در زمان نیاز مصرف می‌کنند.
کاربردهای متداول عبارت‌اند از:
- پشتیبان برق؛
- کاهش پیک مصرف؛
- انتقال انرژی از ساعات کم‌باری به اوج‌بار؛
- تثبیت توان خروجی نیروگاه خورشیدی؛
- پشتیبانی از ریزشبکه‌ها؛
- کاهش وابستگی به شبکه سراسری.
تجهیزات پزشکی و زیرساخت‌های حساس
تجهیزات قابل‌حمل پزشکی، سامانه‌های ارتباطی و تجهیزات اضطراری نیز به باطری‌هایی نیاز دارند که در ابعاد محدود، انرژی و قابلیت اطمینان مناسبی فراهم کنند.
تفاوت باطری لیتیوم‌یون با LiFePO4 چیست؟
LiFePO4 یا لیتیوم آهن فسفات، یکی از گونه‌های شیمیایی باطری‌های لیتیوم‌یون است. بنابراین هر باطری LFP یک باطری لیتیوم‌یون محسوب می‌شود، اما هر باطری لیتیوم‌یون الزاماً LiFePO4 نیست.
در باطری‌های LFP، ماده کاتدی از ترکیب لیتیوم، آهن و فسفات تشکیل شده است. این ترکیب معمولاً مزایای زیر را ارائه می‌دهد:
- پایداری حرارتی و شیمیایی بهتر؛
- طول عمر چرخه‌ای بالا؛
- مقاومت مناسب در کاربردهای ذخیره‌سازی ثابت؛
- کاهش وابستگی به کبالت و نیکل؛
- مناسب بودن برای سامانه‌های خورشیدی و BESS.
در مقابل، برخی شیمی‌های دیگر مانند NMC می‌توانند چگالی انرژی بالاتری ارائه کنند و در کاربردهایی که محدودیت وزن و حجم اهمیت زیادی دارد، مزیت داشته باشند.
انتخاب شیمی باطری باید بر اساس کاربرد، توان مورد نیاز، دمای کار، تعداد سیکل، فضای نصب، الزامات ایمنی و هزینه چرخه عمر انجام شود.
نقش BMS در ایمنی باطری‌های لیتیومی
افزایش ظرفیت و توان باطری بدون سامانه کنترل مناسب، کافی نیست. سیستم مدیریت باطری یا BMS وظیفه پایش و کنترل شرایط الکتریکی و حرارتی باطری را بر عهده دارد.
وظایف متداول BMS شامل موارد زیر است:
- پایش ولتاژ سلول‌ها؛
- پایش جریان شارژ و دشارژ؛
- کنترل دمای سلول‌ها؛
- محاسبه وضعیت شارژ یا SOC؛
- برآورد وضعیت سلامت یا SOH؛
- ایجاد تعادل میان سلول‌ها؛
- محدود کردن جریان در شرایط غیرعادی؛
- قطع مدار در برابر اضافه‌ولتاژ، کم‌ولتاژ، اضافه‌جریان و دمای نامناسب.
در یک سامانه ذخیره‌ساز، BMS باید با اینورتر یا سیستم مدیریت انرژی ارتباط مناسبی داشته باشد. این ارتباط می‌تواند از طریق رابط‌هایی مانند CAN یا RS485 انجام شود. نبود ارتباط صحیح، ممکن است باعث شود اینورتر اطلاعات دقیقی از وضعیت باطری دریافت نکند و باطری در حالت محدودتر یا کم‌هوشمندتری کار کند.
چالش‌های فنی و زیست‌محیطی باطری‌های لیتیومی
با وجود مزایای گسترده، باطری‌های لیتیومی بدون چالش نیستند.
مدیریت حرارتی
افزایش بیش از حد دما می‌تواند عملکرد، عمر و ایمنی باطری را تحت تأثیر قرار دهد. در پک‌های بزرگ، طراحی مسیر انتقال حرارت، سنسورها و سامانه خنک‌کاری اهمیت ویژه‌ای دارد.
فرار حرارتی
در صورت آسیب مکانیکی، شارژ نامناسب، نقص ساختاری یا افزایش شدید دما، ممکن است واکنش‌های زنجیره‌ای در سلول رخ دهد. طراحی ایمن باید شامل انتخاب شیمی مناسب، BMS، حفاظت الکتریکی، فاصله‌گذاری، تهویه و دستورالعمل بهره‌برداری باشد.
استخراج مواد اولیه
استخراج لیتیوم، نیکل، کبالت و سایر مواد اولیه می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی و اجتماعی داشته باشد. کاهش مصرف مواد بحرانی و توسعه شیمی‌های جایگزین، بخشی از مسیر آینده صنعت است.
بازیافت و استفاده مجدد
با افزایش تعداد باطری‌های مصرف‌شده، بازیافت مواد و استفاده مجدد از باطری‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. باطری‌ای که دیگر برای خودرو مناسب نیست، ممکن است برای ذخیره‌سازی ثابت کاربرد داشته باشد؛ البته این استفاده باید پس از ارزیابی ایمنی و ظرفیت باقی‌مانده انجام شود.
آینده فناوری باطری‌ها پس از عصر لیتیوم‌یون
باطری‌های لیتیوم‌یون همچنان فناوری غالب در بسیاری از کاربردها هستند، اما پژوهش برای توسعه گزینه‌های مکمل و جایگزین ادامه دارد.
باطری‌های سدیم‌یون
سدیم فراوان‌تر و ارزان‌تر از لیتیوم است. باطری‌های سدیم‌یون می‌توانند برای ذخیره‌سازی ثابت و کاربردهایی که چگالی انرژی اولویت اول نیست، جذاب باشند.
باطری‌های حالت جامد
در باطری‌های حالت جامد، الکترولیت مایع با ماده‌ای جامد جایگزین می‌شود. هدف اصلی این فناوری افزایش ایمنی و چگالی انرژی است، هرچند چالش‌های تولید، هزینه و دوام همچنان باقی است.
باطری‌های جریان‌دار
در باطری‌های جریان‌دار، انرژی در محلول‌های الکترولیتی ذخیره می‌شود و توان و ظرفیت انرژی تا حد زیادی از یکدیگر مستقل هستند. این ویژگی آن‌ها را برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت و پروژه‌های بزرگ مناسب می‌کند.
ذخیره‌سازی حرارتی و هیدروژن
همچنین ذخیره‌سازی حرارتی، هیدروژنی، هوای فشرده و نیروگاه‌های تلمبه‌ذخیره‌ای نیز می‌توانند در مقیاس شبکه نقش داشته باشند.
به همین دلیل، آینده انرژی به احتمال زیاد بر پایه یک فناوری واحد شکل نمی‌گیرد؛ بلکه ترکیبی از فناوری‌های ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت، میان‌مدت و بلندمدت خواهد بود.
ارتباط نوبل شیمی با آینده انرژی پاک
دستاوردی که با توسعه مواد الکترودی و درک رفتار یون‌های لیتیوم آغاز شد، اکنون به یکی از زیرساخت‌های اصلی انرژی پاک تبدیل شده است.
باطری‌های لیتیومی می‌توانند:
- تولید متغیر خورشیدی و بادی را قابل‌کنترل‌تر کنند؛
- برق تولیدشده در زمان مناسب را برای زمان مصرف ذخیره کنند؛
- نیاز به نیروگاه‌های پشتیبان گران‌قیمت را کاهش دهند؛
- انعطاف‌پذیری شبکه را افزایش دهند؛
- ریزشبکه‌ها و سیستم‌های هیبرید را پایدارتر کنند؛
- مشارکت مصرف‌کنندگان در مدیریت بار را امکان‌پذیر سازند.
در این ساختار، ذخیره‌ساز فقط یک مخزن انرژی نیست؛ بلکه یک تجهیز فعال در شبکه است که می‌تواند بر توان اکتیو، توان راکتیو، کیفیت توان و زمان‌بندی مصرف اثر بگذارد.
جمع‌بندی
اعطای نوبل شیمی ۲۰۱۹ به توسعه‌دهندگان باطری‌های لیتیوم‌یون نشان داد که این فناوری چه جایگاه مهمی در زندگی مدرن پیدا کرده است.
باطری‌های لیتیومی از تجهیزات قابل‌حمل تا خودروهای برقی و تجهیزات قابل‌حمل، امکان ذخیره‌سازی فشرده، بازده مناسب و استفاده مجدد از انرژی را فراهم کرده‌اند. در عین حال، ایمنی، مدیریت حرارتی، بازیافت، تأمین مواد اولیه و انتخاب شیمی مناسب همچنان از موضوعات اساسی این صنعت هستند.
شناخت اصول عملکرد باطری، نخستین گام برای انتخاب صحیح فناوری و طراحی یک سامانه ذخیره‌سازی قابل‌اعتماد است.
برای انتخاب پکیج مناسب آماده‌اید؟
مشخصات مدل‌ها را مقایسه کنید یا از مشاوره تخصصی رایگان کمک بگیرید.