فناوری های جدید در باتری ها پیشرفت در توسعه باتری باتری های آینده

تصور کن تلفن همراه، که بیش از یک هفته شارژ نگه می دارد و در 15 دقیقه شارژ می شود. خارق العاده؟ اما به لطف مطالعه جدید دانشمندان دانشگاه نورث وسترن (ایوانستون، ایلینوی، ایالات متحده آمریکا) می تواند به واقعیت تبدیل شود. گروهی از مهندسان الکترودی برای باتری های قابل شارژ لیتیوم یون (که امروزه در اکثر تلفن های همراه استفاده می شود) ساخته اند که می تواند ظرفیت انرژی آنها را 10 برابر افزایش دهد. این سورپرایزهای دلپذیرمحدود نیست - جدید دستگاه های باتریمی تواند 10 برابر سریعتر از نمونه های فعلی شارژ شود.

برای غلبه بر محدودیت های اعمال شده فن آوری های موجوددر مورد ظرفیت انرژی و نرخ شارژ باتری، دانشمندان از دو رویکرد شیمیایی-فناوری مختلف استفاده کردند. باتری حاصل نه تنها زمان کار کوچک را افزایش می دهد لوازم برقی(مانند تلفن ها و لپ تاپ ها)، بلکه راه را برای توسعه باتری های کارآمدتر و فشرده تر برای وسایل نقلیه الکتریکی هموار می کند.

پروفسور هارولد اچ کونگ، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: «ما راهی برای افزایش زمان ماندگاری شارژ باتری لیتیوم یونی جدید تا 10 برابر پیدا کرده‌ایم. حتی پس از 150 جلسه شارژ/دشارژ، یعنی حداقل یک سال کارکرد، پنج برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون موجود در بازار باقی می ماند.

عملکرد یک باتری لیتیوم یونی بر اساس یک واکنش شیمیایی است که در آن یون های لیتیوم بین یک آند و یک کاتد واقع در انتهای مخالف باتری حرکت می کنند. در طول کار باتری، یون های لیتیوم از آند از طریق الکترولیت به کاتد مهاجرت می کنند. هنگام شارژ، جهت آنها دقیقاً برعکس تغییر می کند. موجود در این لحظهباتری ها دو محدودیت مهم دارند. ظرفیت انرژی آنها - یعنی مدت زمانی که باتری می تواند شارژ نگه دارد - توسط چگالی شارژ یا تعداد یون های لیتیوم که می توانند روی آند یا کاتد قرار بگیرند محدود می شود. در عین حال، سرعت شارژ چنین باتری با سرعتی که یون های لیتیوم قادر به حرکت از طریق الکترولیت به آند هستند محدود می شود.

در باتری های قابل شارژ فعلی، آند ساخته شده از صفحات گرافن متعدد، ممکن است تنها یک اتم لیتیوم به ازای هر شش اتم کربن (که گرافن از آن ساخته شده است) داشته باشد. در تلاش برای افزایش ظرفیت انرژی باتری ها، دانشمندان قبلاً با جایگزینی کربن با سیلیکون آزمایش کرده اند که می تواند لیتیوم بسیار بیشتری را در خود نگه دارد: چهار اتم لیتیوم برای هر اتم سیلیکون. با این حال، سیلیکون به شدت در حین شارژ منبسط و منقبض می شود که باعث تکه تکه شدن ماده آند و در نتیجه از دست دادن سریع ظرفیت شارژ باتری می شود.

در حال حاضر سرعت کمشارژ باتری با شکل صفحات گرافن توضیح داده می شود: در مقایسه با ضخامت (که فقط یک اتم است)، طول آنها بسیار زیاد است. در طول شارژ، یون لیتیوم باید به لبه های بیرونی صفحات گرافن برود و سپس از بین آنها عبور کرده و در جایی در داخل متوقف شود. از آنجایی که لیتیوم برای رسیدن به وسط ورقه گرافن زمان زیادی می برد، چیزی شبیه جمجمه یون در لبه های آن مشاهده می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، گروه تحقیقاتی کونگ هر دوی این مشکلات را با استفاده از دو فناوری مختلف حل کرد. اول، برای اطمینان از پایداری سیلیکون و بنابراین حفظ حداکثر ظرفیت شارژ باتری، آنها خوشه‌های سیلیکونی را بین صفحات گرافن قرار دادند. این امکان افزایش تعداد یون‌های لیتیوم در الکترود را فراهم کرد، در حالی که همزمان از انعطاف‌پذیری ورقه‌های گرافن برای سازگاری با تغییرات حجم سیلیکون در طول فرآیند شارژ/دشارژ باتری استفاده می‌کرد.

کونگ می گوید: «اکنون هر دو پرنده را با یک سنگ می کشیم. با سیلیکون، چگالی انرژی بالاتری دریافت می کنیم و تناوب لایه ها اتلاف توان ناشی از انبساط و انقباض سیلیکون را کاهش می دهد. حتی اگر خوشه های سیلیکونی از بین بروند، خود سیلیکون به جایی نمی رسد.

علاوه بر این، محققان از فرآیند اکسیداسیون شیمیایی برای ایجاد حفره‌های مینیاتوری (10 تا 20 نانومتری) در صفحات گرافن ("نقص در صفحه") استفاده کردند که یون‌های لیتیوم را با "دسترسی سریع" به آند و در نتیجه ذخیره‌سازی بعدی در آنجا فراهم کردند. واکنش با سیلیکون به این ترتیب زمان لازم برای شارژ باتری 10 برابر کاهش یافت.

تا کنون، تمام تلاش ها برای بهینه سازی عملکرد باتری بر روی یکی از اجزای آن - آند متمرکز شده است. در مرحله بعدی تحقیقات، دانشمندان قصد دارند تغییرات کاتد را برای همین منظور مطالعه کنند. علاوه بر این، آنها می خواهند سیستم الکترولیت را به گونه ای تغییر دهند که باتری بتواند به طور خودکار (و برگشت پذیر) خاموش شود. دمای بالا- یک مکانیسم حفاظتی مشابه می تواند هنگام استفاده از باتری در وسایل نقلیه الکتریکی مفید باشد.

به گفته توسعه دهندگان، در فرم فعلیفناوری جدید باید طی سه تا پنج سال آینده وارد بازار شود. مقاله ای در مورد نتایج تحقیق و توسعه باتری های جدید در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد.

و امروز در مورد موارد خیالی صحبت خواهیم کرد - با ظرفیت خاص غول پیکر و شارژ فوری. اخبار مربوط به چنین پیشرفت هایی با نظم رشک برانگیزی ظاهر می شود، اما آینده هنوز فرا نرسیده است، و ما هنوز از باتری های لیتیوم یونی که در ابتدای دهه قبل از گذشته ظاهر شدند، یا آنالوگ های لیتیوم-پلیمر کمی پیشرفته تر آنها استفاده می کنیم. پس مشکل چیست، مشکلات تکنولوژیک، تفسیر نادرست از سخنان دانشمندان، یا چیز دیگری؟ بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم.

به دنبال سرعت شارژ

یکی از پارامترهای باتری که دانشمندان و شرکت های بزرگآنها دائما در تلاش برای بهبود سرعت شارژ هستند. با این حال، حتی به دلیل قوانین شیمیایی واکنش‌هایی که در باتری‌ها اتفاق می‌افتد، افزایش آن به طور نامحدود امکان‌پذیر نخواهد بود (به خصوص که توسعه‌دهندگان باتری‌های یون آلومینیومی قبلاً اعلام کرده‌اند که این نوع باتری‌ها را می‌توان به طور کامل در یک مدت شارژ کرد. دوم)، اما به دلیل محدودیت های فیزیکی. اجازه دهید یک گوشی هوشمند با باتری 3000 میلی آمپر ساعتی و پشتیبانی داشته باشیم شارژ سریع. شما می توانید چنین ابزاری را در عرض یک ساعت با جریان متوسط ​​3 آمپر (به طور متوسط، زیرا ولتاژ شارژ تغییر می کند) به طور کامل شارژ کنید. اما اگر بخواهیم تنها در یک دقیقه شارژ کامل داشته باشیم، جریان 180 آمپر بدون در نظر گرفتن تلفات مختلف مورد نیاز است. برای شارژ دستگاه با این جریان، به سیمی با قطر حدود 9 میلی متر - دو برابر ضخامت خود گوشی هوشمند - نیاز دارید. بله، و جریان 180 A در ولتاژ حدود 5 ولت طبیعی است شارژرنمی تواند صادر شود: دارندگان گوشی های هوشمند به یک مبدل جریان پالس مانند آنچه در عکس زیر نشان داده شده است نیاز دارند.

یک جایگزین برای افزایش جریان افزایش ولتاژ است. اما معمولاً ثابت است و برای باتری های لیتیوم یون 3.7 ولت است. البته می توان از آن فراتر رفت - شارژ با استفاده از فناوری Quick Charge 3.0 با ولتاژ حداکثر 20 ولت همراه است، اما تلاش برای شارژ کردن باتری با ولتاژ حدود 220 ولت بی فایده است به خوبی منجر نمی شود و این مشکل را در به زودیممکن به نظر نمی رسد باتری های مدرن به سادگی نمی توانند از چنین ولتاژی استفاده کنند.

باتری های ابدی

البته اکنون در مورد " دستگاه حرکت دائمی"، و در مورد باتری با برای مدت طولانیخدمات. باتری‌های لیتیوم یون مدرن برای گوشی‌های هوشمند می‌توانند حداکثر چند سال استفاده فعال از دستگاه‌ها را تحمل کنند و پس از آن ظرفیت آنها به طور پیوسته کاهش می‌یابد. دارندگان گوشی‌های هوشمند با باتری‌های قابل جابجایی کمی خوش‌شانس‌تر از دیگران هستند، اما حتی در این مورد نیز ارزش این را دارد که مطمئن شوید که باتری اخیراً تولید شده است: باتری‌های لیتیوم یونی حتی زمانی که استفاده نمی‌شوند تحلیل می‌روند.

دانشمندان دانشگاه استنفورد راه حل خود را برای این مشکل پیشنهاد کرده اند: پوشش الکترودها انواع موجودباتری های لیتیوم یون ساخته شده از مواد پلیمری با افزودن نانوذرات گرافیت. به گفته دانشمندان، این کار از الکترودهایی که در حین کار به طور اجتناب ناپذیری با ریزترک پوشانده می شوند، محافظت می کند و همان ریزترک های موجود در مواد پلیمری خود به خود بهبود می یابند. اصل عملکرد این ماده مشابه فناوری به کار رفته در گوشی هوشمند LG G Flex با قاب پشتی خود ترمیم شونده است.

انتقال به بعد سوم

در سال 2013، گزارش شد که محققان دانشگاه ایلینویز در حال توسعه نوع جدیدی از باتری لیتیوم یونی هستند. دانشمندان بیان کردند که توان ویژه چنین باتری هایی تا 1000 میلی وات/(سانتی متر* میلی متر) خواهد بود، در حالی که توان ویژه باتری های لیتیوم یونی معمولی بین 100-100 میلی وات/(سانتی متر* میلی متر) است. اینها واحدهای اندازه گیری مورد استفاده قرار گرفتند، زیرا ما در مورد ساختارهای نسبتاً کوچکی با ضخامت ده ها نانومتر صحبت می کنیم.

به جای آند و کاتد مسطح که در باتری‌های Li-Ion سنتی استفاده می‌شود، دانشمندان استفاده از ساختارهای سه بعدی را پیشنهاد کردند: یک شبکه کریستالی از سولفید نیکل بر روی نیکل متخلخل به عنوان آند و دی اکسید منگنز لیتیوم روی نیکل متخلخل به عنوان کاتد.

با وجود تمام شبهات ناشی از غیبت در اولین بیانیه های مطبوعاتی پارامترهای دقیقباتری های جدید و همچنین نمونه های اولیه ای که هنوز ارائه نشده اند، نوع جدیدباتری هنوز واقعی است این را چندین مقاله علمی در مورد این موضوع که در دو سال گذشته منتشر شده است تأیید می کند. با این حال، حتی اگر چنین باتری هایی در دسترس مصرف کنندگان نهایی قرار گیرند، این امر به این زودی اتفاق نخواهد افتاد.

شارژ از طریق صفحه نمایش

دانشمندان و مهندسان در تلاش هستند تا عمر ابزارهای ما را نه تنها با جستجوی انواع جدید باتری ها یا افزایش بهره وری انرژی، بلکه کاملاً افزایش دهند. به روش های غیر معمول. محققان دانشگاه ایالتی میشیگان پیشنهاد کرده‌اند که پنل‌های خورشیدی شفاف را مستقیماً در صفحه نمایش قرار دهند. از آنجایی که اصل عملکرد چنین پانل‌هایی مبتنی بر جذب تابش خورشیدی است، برای شفاف‌سازی آن‌ها، دانشمندان مجبور شدند از ترفندی استفاده کنند: ماده پانل‌های نوع جدید فقط تشعشعات نامرئی (مادون قرمز و ماوراء بنفش) را جذب می‌کنند. فوتون‌هایی که از لبه‌های پهن شیشه منعکس می‌شوند، توسط نوارهای باریک پانل‌های خورشیدی سنتی که در امتداد لبه‌های آن قرار دارند جذب می‌شوند.

مانع اصلی برای اجرای چنین فناوری، راندمان پایین چنین پنل‌هایی است - تنها 1٪ در مقابل 25٪ از پانل‌های خورشیدی سنتی. اکنون دانشمندان به دنبال راه هایی برای افزایش کارایی تا حداقل 5 درصد هستند، اما بعید به نظر می رسد که راه حلی سریع برای این مشکل وجود داشته باشد. به هر حال، اخیراً یک فناوری مشابه توسط اپل به ثبت رسیده است، اما هنوز مشخص نیست که سازنده دقیقاً در کجا پنل های خورشیدی را در دستگاه های خود قرار می دهد.

قبل از این، منظور ما از کلمه باتری و انباشته باتری قابل شارژ بود، اما برخی از محققان معتقدند که استفاده از منابع ولتاژ یکبار مصرف در گجت ها کاملاً امکان پذیر است. به عنوان باتری هایی که می توانند بدون شارژ مجدد یا تعمیرات دیگر برای چندین سال (یا حتی چندین دهه) کار کنند، دانشمندان دانشگاه میسوری استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ RTG را پیشنهاد کردند. اصل عملکرد یک RTG بر اساس تبدیل گرمای آزاد شده در طول واپاشی رادیویی به برق است. بسیاری از مردم چنین تاسیساتی را با استفاده از آنها در فضا و مکان های سخت دسترسیدر زمین، اما در ایالات متحده از باتری های رادیوایزوتوپ مینیاتوری نیز در ضربان سازها استفاده می شد.

کار بر روی یک نوع بهبود یافته از چنین باتری هایی از سال 2009 ادامه دارد و نمونه های اولیه چنین باتری هایی حتی نشان داده شده است. اما در آینده نزدیک نمی‌توانیم باتری‌های رادیوایزوتوپ را در گوشی‌های هوشمند ببینیم: تولید آن‌ها گران است و علاوه بر این، بسیاری از کشورها محدودیت‌های سختی برای تولید و گردش مواد رادیواکتیو دارند.

به عنوان باتری یکبار مصرف نیز قابل استفاده است عناصر هیدروژنی، اما نمی توان از آنها در گوشی های هوشمند استفاده کرد. باتری‌های هیدروژنی خیلی سریع مصرف می‌شوند: اگرچه ابزار شما با یک کارتریج طولانی‌تر از یک بار شارژ یک باتری معمولی کار می‌کند، اما باید به طور دوره‌ای تعویض شوند. با این حال، این مانع استفاده از باتری های هیدروژنی در خودروهای الکتریکی و حتی نمی شود باتری های خارجی: در حالی که اینها دستگاه های انبوه نیستند، اما دیگر نمونه اولیه نیستند. و اپل، طبق شایعات، در حال توسعه سیستمی برای پر کردن کارتریج های هیدروژن بدون تعویض آنها برای استفاده در آیفون های آینده است.

این ایده که باتری با ظرفیت خاص بالا می تواند بر اساس گرافن ایجاد شود در سال 2012 مطرح شد. و به این ترتیب، در ابتدای سال جاری در اسپانیا، اعلام شد که شرکت Graphenano ساخت کارخانه تولید باتری‌های گرافن پلیمری برای خودروهای الکتریکی را آغاز کرده است. نوع جدید باتری تقریبا چهار برابر ارزان‌تر از باتری‌های لیتیوم پلیمری سنتی تولید می‌شود، ظرفیت مشخصی معادل 600 وات ساعت بر کیلوگرم دارد و شارژ چنین باتری 50 کیلووات ساعتی تنها در 8 دقیقه امکان‌پذیر خواهد بود. درست است، همانطور که در همان ابتدا گفتیم، این به توانی در حدود 1 مگاوات نیاز دارد، بنابراین چنین شاخصی فقط در تئوری قابل دستیابی است. هنوز گزارش نشده است که کارخانه دقیقاً چه زمانی تولید اولین باتری های گرافن-پلیمر را آغاز می کند، اما کاملاً ممکن است فولکس واگن در میان خریداران محصولات آن باشد. این کنسرت قبلاً اعلام کرده بود که قصد دارد تا سال 2018 خودروهای الکتریکی با برد 700 کیلومتر با یک بار شارژ باتری تولید کند.

مربوط به دستگاه های تلفن همراهدر حالی که استفاده از باتری های گرافن-پلیمر در آنها با مانع مواجه می شود ابعاد بزرگچنین باتری هایی بیایید امیدوار باشیم که تحقیقات در این زمینه ادامه یابد، زیرا باتری‌های گرافن-پلیمر یکی از امیدوارکننده‌ترین نوع باتری‌هایی هستند که ممکن است در سال‌های آینده ظاهر شوند.

پس چرا با وجود این همه خوش بینی دانشمندان و اخباری که مرتباً در مورد پیشرفت در زمینه حفظ انرژی منتشر می شود، اکنون شاهد رکود هستیم؟ اول از همه، نکته توقعات بالای ماست که فقط خبرنگاران به آن دامن می زنند. ما می‌خواهیم باور کنیم که انقلابی در دنیای باتری‌ها در شرف وقوع است و در کمتر از یک دقیقه باتری با شارژ و عمر تقریباً نامحدود به دست خواهیم آورد که حداقل یک هفته در یک تلفن هوشمند مدرن دوام خواهد آورد. با پردازنده هشت هسته ای اما افسوس که چنین پیشرفت هایی اتفاق نمی افتد. من به تولید انبوه هر تکنولوژی جدیدسالها قبل از آن تحقیق علمی، آزمایش نمونه، توسعه مواد جدید و فرآیندهای تکنولوژیکیو کارهای دیگری که زمان زیادی می برد. در پایان، همان باتری‌های لیتیوم یونی حدود پنج سال طول کشید تا از نمونه‌های مهندسی تبدیل شوند دستگاه های آمادهکه در گوشی ها قابل استفاده است.

بنابراین، ما فقط می توانیم صبر داشته باشیم و اخبار مربوط به باتری های جدید را به دل نگیریم. حداقل تا زمانی که خبری از راه اندازی تولید انبوه آن ها به گوش نمی رسد، زمانی که هیچ شکی در مورد دوام فناوری جدید وجود ندارد.

باتری ها یک قانون همه یا هیچ هستند. بدون ذخیره سازی انرژی نسل بعدی، هیچ نقطه عطفی در سیاست انرژی و همچنین در بازار خودروهای الکتریکی وجود نخواهد داشت.

قانون مور، که در صنعت IT فرض شده است، وعده افزایش عملکرد پردازنده را هر دو سال یکبار می دهد. توسعه باتری ها عقب مانده است: راندمان آنها به طور متوسط ​​7٪ در سال افزایش می یابد. و در حالی که باتری‌های لیتیوم یون در گوشی‌های هوشمند مدرن بیشتر و بیشتر عمر می‌کنند، این تا حد زیادی به دلیل عملکرد بهینه تراشه‌ها است.

باتری های لیتیوم یون به دلیل وزن سبک و چگالی انرژی بالا بر بازار تسلط دارند.

هر ساله میلیاردها باتری در دستگاه‌های موبایل، وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر نصب می‌شود. با این حال فن آوری پیشرفتهبه حد خود رسیده است.

خبر خوب این است که نسل بعدی باتری های لیتیوم یونیدر حال حاضر تقریباً نیازهای بازار را برآورده می کند. آنها از لیتیوم به عنوان یک ماده ذخیره سازی استفاده می کنند که از نظر تئوری امکان افزایش ده برابری تراکم ذخیره انرژی را فراهم می کند.

در کنار این، مطالعات سایر مواد ارائه شده است. اگرچه لیتیوم چگالی انرژی قابل قبولی را ارائه می دهد، با این حال، ما در مورد طرح هایی صحبت می کنیم که چندین مرتبه بهینه تر و ارزان تر هستند. پس از همه، طبیعت می تواند ما را فراهم کند بهترین طرح هابرای باتری های با کیفیت بالا

آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشگاه اولین نمونه های اولیه را توسعه می دهند باتری های ارگانیک. با این حال، ممکن است چندین دهه طول بکشد تا چنین باتری‌های زیستی وارد بازار شوند. پلی به آینده به کشش باتری های کوچک کمک می کند که با گرفتن انرژی شارژ می شوند.

منابع تغذیه موبایل

به گفته گارتنر، امسال بیش از 2 میلیارد دستگاه تلفن همراه به فروش خواهد رسید که هر کدام دارای باتری لیتیوم یونی هستند. این باتری ها امروزه به عنوان استاندارد در نظر گرفته می شوند، تا حدی به این دلیل که بسیار سبک وزن هستند. با این حال، آنها تنها دارای حداکثر چگالی انرژی 150-200 Wh/kg هستند.

باتری های لیتیوم یونی با حرکت یون های لیتیوم شارژ و انرژی آزاد می کنند. هنگام شارژ، یون های دارای بار مثبت از کاتد از طریق محلول الکترولیت بین لایه های گرافیتی آند حرکت می کنند، در آنجا تجمع می کنند و الکترون ها را به جریان شارژ متصل می کنند.

هنگامی که تخلیه می شوند، الکترون ها را به مدار جریان می دهند، یون های لیتیوم به کاتد برمی گردند، جایی که دوباره با فلز موجود در آن (در بیشتر موارد، کبالت) و اکسیژن متصل می شوند.

ظرفیت باتری های لیتیوم یون بستگی به این دارد که چه تعداد یون لیتیوم می تواند بین لایه های گرافیت قرار گیرد. با این حال، امروزه به لطف سیلیکون می توان به چیزهای بیشتری دست یافت کار کارآمدباتری ها

در مقایسه، برای اتصال یک یون لیتیوم به شش اتم کربن نیاز است. برعکس، یک اتم سیلیکون می تواند چهار یون لیتیوم را در خود نگه دارد.

باتری لیتیوم یون انرژی الکتریکی خود را در لیتیوم ذخیره می کند. هنگامی که آند شارژ می شود، اتم های لیتیوم بین لایه های گرافیت ذخیره می شوند. وقتی تخلیه می شوند، الکترون ها را رها می کنند و به شکل یون لیتیوم به ساختار لایه ای کاتد (لیتیوم کبالتیت) حرکت می کنند.

سیلیکون ظرفیت را افزایش می دهد

وقتی سیلیکون بین لایه های گرافیت قرار می گیرد ظرفیت باتری افزایش می یابد. هنگامی که سیلیکون با لیتیوم ترکیب می شود، سه تا چهار برابر افزایش می یابد، اما پس از چندین چرخه شارژ، لایه گرافیت می شکند.

راه حل این مشکل در پیدا شده است پروژه راه اندازی آمپریوس، توسط دانشمندان دانشگاه استنفورد ایجاد شده است. پروژه آمپریوس از سوی افرادی مانند اریک اشمیت (رئیس هیئت مدیره گوگل) و استیون چو برنده جایزه نوبل (وزیر انرژی ایالات متحده تا سال 2013) مورد حمایت قرار گرفت.

سیلیکون متخلخل موجود در آند راندمان باتری های لیتیوم یونی را تا 50 درصد افزایش می دهد. در جریان اجرای پروژه استارت آپ آمپریوس، اولین باتری های سیلیکونی تولید شد.

در این پروژه، سه روش برای حل «مسئله گرافیت» در دسترس است. اولی است استفاده از سیلیکون متخلخل، که می توان آن را به عنوان یک "اسفنج" در نظر گرفت. هنگام ذخیره سازی لیتیوم، حجم آن بسیار کم می شود، بنابراین، لایه های گرافیت دست نخورده باقی می مانند. آمپریوس می تواند باتری هایی بسازد که تا 50 درصد بیشتر از باتری های معمولی انرژی ذخیره کنند.

در ذخیره انرژی کارآمدتر از سیلیکون متخلخل است لایه ای از نانولوله های سیلیکونی. در نمونه های اولیه، تقریباً دو برابر افزایش ظرفیت شارژ (تا 350 وات ساعت بر کیلوگرم) حاصل شد.

اسفنج و لوله ها همچنان باید با گرافیت پوشانده شوند، زیرا سیلیکون با محلول الکترولیت واکنش می دهد و در نتیجه عمر باتری را کاهش می دهد.

اما روش سومی هم وجود دارد. محققان پروژه آمپیروس پوسته کربنی را معرفی کردند گروه های ذرات سیلیکون، که مستقیماً لمس نمی شوند، اما فضای آزاد برای افزایش حجم ذرات فراهم می کنند. لیتیوم می تواند روی این ذرات انباشته شود، اما پوسته دست نخورده باقی می ماند. حتی پس از هزاران دوره شارژ، ظرفیت نمونه اولیه تنها 3 درصد کاهش یافت.

سیلیکون با چندین اتم لیتیوم ترکیب می شود، اما در حین انجام آن منبسط می شود. برای جلوگیری از تجزیه گرافیت، محققان از ساختار گیاه انار استفاده می کنند: آنها سیلیکون را به پوسته های گرافیت تزریق می کنند که به اندازه کافی بزرگ هستند تا لیتیوم اضافی را بپذیرند.

بسیاری بر این باورند که آینده صنعت خودرو در اختیار خودروهای برقی است. صورتحساب هایی در خارج از کشور وجود دارد که بر اساس آن برخی از خودروهای فروخته شده سالانه یا باید هیبریدی باشند یا با برق کار کنند، بنابراین نه تنها برای تبلیغات چنین خودروهایی، بلکه در ساخت پمپ بنزین ها نیز سرمایه گذاری می شود.

با این حال، بسیاری از مردم هنوز منتظرند تا خودروهای الکتریکی به مدعیان واقعی تبدیل شوند. ماشین های سنتی. یا شاید زمانی که زمان شارژ و زمان کاهش می یابد این اتفاق بیفتد عمر باتریافزایش خواهد یافت؟ شاید باتری های گرافن در این زمینه به بشریت کمک کنند.

گرافن چیست؟

یک ماده انقلابی از نسل جدید، سبک ترین و قوی ترین، رسانای الکتریکی - همه اینها در مورد گرافن است که چیزی بیش از یک شبکه کربن دو بعدی با ضخامت یک اتم نیست. خالق گرافن، کنستانتین نووسلوف، جایزه نوبل را دریافت کرد. معمولا بین باز کردن و شروع استفاده عملیاین کشف در عمل زمان زیادی می برد، گاهی اوقات حتی چندین دهه، اما گرافن به چنین سرنوشتی دچار نشد. شاید این به این دلیل است که Novoselov و Game فناوری تولید خود را پنهان نکرده اند.

آنها نه تنها در مورد آن به تمام جهان گفتند، بلکه آن را نیز نشان دادند: ویدیویی در یوتیوب وجود دارد که در آن کنستانتین نووسلوف با جزئیات در مورد این فناوری صحبت می کند. بنابراین، شاید به زودی حتی بتوانیم باتری های گرافن را با دستان خود بسازیم.

تحولات

تقریباً در تمام زمینه های علم تلاش هایی برای استفاده از گرافن صورت گرفته است. در امتحان شد انرژی خورشیدی، هدفون، کیس و حتی برای درمان سرطان تلاش کرد. با این حال، در حال حاضر یکی از امیدوارکننده ترین و ضروری ترین چیزها برای بشریت باتری گرافن است. به شما یادآوری می کنیم که با مزیت غیرقابل انکاری مانند سوخت ارزان و سازگار با محیط زیست، خودروهای الکتریکی دارای یک اشکال جدی هستند - نسبتاً کوچک. حداکثر سرعت، بیشینه سرعتو ذخیره نیرو بیش از سیصد کیلومتر نیست.

راه حل مشکل قرن

باتری گرافن بر اساس همان اصل باتری سربی با الکترولیت قلیایی یا اسیدی کار می کند. این اصل یک واکنش الکتروشیمیایی است. طراحی باتری گرافن شبیه باتری لیتیوم یونی با الکترولیت جامد است که در آن کاتد کک کربنی است که از نظر ترکیب به کربن خالص نزدیک است.

با این حال، در حال حاضر دو جهت کاملاً متفاوت در میان مهندسان سازنده باتری‌های گرافن وجود دارد. در ایالات متحده، دانشمندان پیشنهاد کردند که کاتد را از صفحات گرافن و سیلیکونی که با یکدیگر در هم آمیخته اند، و آند را از کبالت لیتیوم کلاسیک بسازند. مهندسان روسی راه حل دیگری پیدا کرده اند. نمک لیتیوم سمی و گران قیمت را می توان با اکسید منیزیم سازگارتر با محیط زیست و ارزان تر جایگزین کرد. ظرفیت باتری در هر صورت به دلیل افزایش سرعت عبور یون ها از یک الکترود به الکترود دیگر افزایش می یابد. این به دلیل این واقعیت است که گرافن دارد نرخ بالانفوذپذیری الکتریکی و توانایی تجمع بار الکتریکی.

نظرات دانشمندان در مورد نوآوری متفاوت است: مهندسان روسی ادعا می کنند که ظرفیت باتری های گرافن دو برابر باتری های لیتیوم یونی است، اما همکاران خارجی آنها ادعا می کنند که 10 باتری.

باتری های گرافن در سال 2015 به تولید انبوه رسیدند. به عنوان مثال، شرکت اسپانیایی Graphenano این کار را انجام می دهد. به گفته سازنده، استفاده از این باتری ها در خودروهای الکتریکی در سایت های لجستیکی نشان دهنده قابلیت های عملی واقعی یک باتری با کاتد گرافن است. برای کاملا شارژ شدهفقط هشت دقیقه طول می کشد حداکثر طولباتری های گرافن نیز می توانند مسافت پیموده شده را افزایش دهند. شارژ برای 1000 کیلومتر به جای سیصد - این چیزی است که شرکت Graphenano می خواهد به مصرف کننده ارائه دهد.

اسپانیا و چین

با Graphenano همکاری می کند شرکت چینی Chint که 10 درصد از سهام شرکت اسپانیایی را به قیمت 18 میلیون یورو خریداری کرد. از بودجه مشترک برای ساخت کارخانه ای با بیست خط تولید استفاده می شود. این پروژه تاکنون حدود 30 میلیون سرمایه گذاری داشته است که برای نصب تجهیزات و استخدام کارمندان سرمایه گذاری خواهد شد. طبق برنامه اولیه، کارخانه قرار بود تولید حدود 80 میلیون باتری را آغاز کند. در مرحله اولیه، چین باید به بازار اصلی تبدیل شود و سپس قرار شد عرضه به کشورهای دیگر آغاز شود.

در مرحله دوم، چینت آماده سرمایه گذاری 350 میلیون یورویی برای ساخت کارخانه دیگری است که حدود پنج هزار کارمند خواهد داشت. با توجه به اینکه کل درآمد حدود سه میلیارد یورو خواهد بود، چنین ارقامی تعجب آور نیست. علاوه بر این، چین، که به دلیل مشکلات زیست محیطی خود شناخته شده است، با "سوخت" سازگار با محیط زیست و ارزان عرضه خواهد شد. با این حال، همانطور که مشاهده می کنیم، به جز اظهارات پر سر و صدا، هیچ چیز به چشم نیامده است، فقط مدل های آزمایشی. اگرچه شرکت فولکس واگن نیز تمایل خود را برای همکاری با Graphenano اعلام کرد.

انتظارات و واقعیت

سال 2017 است، به این معنی که Graphenano در حال حاضر دو سال است که به تولید "انبوه" باتری مشغول است، اما دیدن یک ماشین الکتریکی در جاده ها نه تنها برای روسیه نادر است. تمام مشخصات و داده های منتشر شده توسط شرکت کاملا مبهم است. به طور کلی، آنها فراتر از ایده های نظری پذیرفته شده عمومی در مورد پارامترهایی که یک باتری گرافنی برای یک وسیله نقلیه الکتریکی باید داشته باشد، نمی روند.

علاوه بر این، تا کنون هر آنچه که به مصرف کنندگان و سرمایه گذاران ارائه شده است فقط است مدل های کامپیوتری، هیچ نمونه اولیه واقعی وجود ندارد. مشکل این است که گرافن ماده ای است که تولید آن بسیار گران است. علیرغم اظهارات بلند دانشمندان در مورد چگونگی "چاپ روی زانو"، در این مرحله فقط می توان هزینه برخی از اجزا را کاهش داد.

گرافن و بازار جهانی

حامیان انواع تئوری های توطئه خواهند گفت که هیچ کس از ظاهر چنین خودرویی سود نمی برد، زیرا در این صورت نفت در پس زمینه محو می شود، به این معنی که درآمد حاصل از تولید آن نیز کاهش می یابد. با این حال، به احتمال زیاد، مهندسان با برخی از مشکلات مواجه شده اند، اما نمی خواهند آن را تبلیغ کنند. کلمه "گرافن" در حال حاضر به طور گسترده شنیده می شود، بسیاری از مردم آن را در نظر می گیرند، شاید دانشمندان نمی خواهند شکوه آن را از بین ببرند.

مشکلات در توسعه

با این حال، نکته ممکن است این باشد که این ماده واقعاً نوآورانه است، بنابراین نیاز به یک رویکرد مناسب دارد. شاید باتری هایی که از گرافن استفاده می کنند باید اساساً با باتری های لیتیوم یونی یا لیتیوم پلیمری سنتی متفاوت باشند.

نظریه دیگری وجود دارد. شرکت Graphenano گفت که باتری های جدید تنها در هشت دقیقه شارژ می شوند. کارشناسان تأیید می کنند که این واقعاً امکان پذیر است، فقط قدرت منبع تغذیه باید حداقل یک مگاوات باشد، که در شرایط آزمایش در کارخانه امکان پذیر است، اما نه در خانه. ساخت و ساز مقدار کافیپر کردن مجدد با چنین قدرتی هزینه زیادی خواهد داشت ، قیمت یک بار شارژ مجدد بسیار بالا خواهد بود ، بنابراین باتری گرافن برای خودرو هیچ سودی به همراه نخواهد داشت.

تمرین نشان می‌دهد که فناوری‌های انقلابی زمان زیادی طول می‌کشد تا در بازار جهانی ادغام شوند. برای اطمینان از ایمنی یک محصول، باید آزمایش‌های زیادی انجام شود، بنابراین عرضه دستگاه‌های جدید فناوری گاهی سال‌ها به تعویق می‌افتد.

محیط زیست مصرف علم و فناوری: آینده حمل و نقل الکتریکی تا حد زیادی به بهبود باتری ها بستگی دارد - آنها باید وزن کمتری داشته باشند، سریعتر شارژ شوند و در عین حال انرژی بیشتری تولید کنند.

آینده خودروهای الکتریکی تا حد زیادی به بهبود باتری ها بستگی دارد - آنها باید وزن کمتری داشته باشند، سریعتر شارژ شوند و در عین حال انرژی بیشتری تولید کنند. دانشمندان قبلاً به نتایجی دست یافته اند. گروهی از مهندسان باتری‌های لیتیوم-اکسیژن ساخته‌اند که انرژی را هدر نمی‌دهند و می‌توانند برای چندین دهه دوام بیاورند. و یک دانشمند استرالیایی یک یونیستور مبتنی بر گرافن ارائه کرد که می تواند میلیون ها بار بدون از دست دادن کارایی شارژ شود.

باتری‌های لیتیوم اکسیژن سبک وزن هستند و انرژی زیادی تولید می‌کنند و می‌توانند اجزای ایده‌آلی برای خودروهای الکتریکی باشند. اما چنین باتری هایی دارند اشکال قابل توجه- به سرعت فرسوده می شوند و انرژی زیادی را به صورت گرمای هدر رفته آزاد می کنند. پیشرفت جدیدی توسط دانشمندان MIT، آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه پکن نوید حل این مشکل را می دهد.

باتری‌های لیتیوم-اکسیژن که توسط تیمی از مهندسان ساخته شده‌اند، از نانوذرات حاوی لیتیوم و اکسیژن استفاده می‌کنند. در این حالت، اکسیژن هنگام تغییر حالت، در داخل ذره باقی می ماند و به فاز گاز باز نمی گردد. این با باتری های لیتیوم-هوا متفاوت است، که اکسیژن را از هوا می گیرند و در طی یک واکنش معکوس آن را به اتمسفر آزاد می کنند. رویکرد جدید کاهش اتلاف انرژی (ارزش ولتاژ الکتریکیتقریباً 5 برابر کاهش می یابد) و عمر باتری را افزایش می دهد.

فناوری لیتیوم-اکسیژن نیز بر خلاف سیستم های لیتیوم-هوا که در معرض رطوبت و CO2 قرار می گیرند، به خوبی با شرایط دنیای واقعی سازگار است. علاوه بر این، باتری های لیتیوم و اکسیژن در برابر شارژ بیش از حد محافظت می شوند - به محض اینکه انرژی بیش از حد شود، باتری به نوع دیگری از واکنش سوئیچ می کند.

دانشمندان 120 چرخه شارژ-تخلیه را انجام دادند، در حالی که بهره وری تنها 2٪ کاهش یافت.

تاکنون دانشمندان تنها نمونه اولیه باتری را ساخته اند، اما در عرض یک سال قصد دارند نمونه اولیه آن را توسعه دهند. این به مواد گران قیمت نیاز ندارد و تولید آن بسیار شبیه به باتری های لیتیوم یون سنتی است. اگر این پروژه اجرا شود، در آینده نزدیک خودروهای برقی دو برابر انرژی با همان جرم ذخیره خواهند کرد.

مهندسي از دانشگاه فناوري سوينبرن در استراليا يكي ديگر از مشكلات باتري را حل كرده است - سرعت شارژ مجدد آنها. یونیستوری که او توسعه داد تقریباً فورا شارژ می شود و می توان برای سالهای طولانی بدون از دست دادن کارایی از آن استفاده کرد.

هان لین از گرافن، یکی از قوی ترین مواد موجود امروزی استفاده کرد. گرافن به دلیل ساختار لانه زنبوری خود دارای سطح وسیعی برای ذخیره انرژی است. این دانشمند صفحات گرافن را روی یک چاپگر سه بعدی چاپ کرد - این روش تولید همچنین به شما امکان می دهد هزینه ها را کاهش دهید و مقیاس را افزایش دهید.

یونیستور ایجاد شده توسط دانشمند همان مقدار انرژی به ازای هر کیلوگرم وزن تولید می کند باتری های لیتیوم یونیاما در چند ثانیه شارژ می شود. علاوه بر این، به جای لیتیوم، از گرافن استفاده می کند که بسیار ارزان تر است. به گفته هان لین، ابرخازن می تواند میلیون ها چرخه شارژ را بدون افت کیفیت طی کند.

صنعت باتری هنوز ایستاده نیست. برادران کرایزل از اتریش نوع جدیدی از باتری را ساخته اند که تقریباً نصف باتری های سنتی وزن دارد. مدل تسلااس.

دانشمندان نروژی از دانشگاه اسلو باتری اختراع کرده اند که می تواند کاملا... با این حال، توسعه آنها برای شهری در نظر گرفته شده است حمل و نقل عمومی، که مرتباً توقف می کند - در هر یک از آنها اتوبوس شارژ می شود و انرژی کافی برای رسیدن به ایستگاه بعدی وجود خواهد داشت.

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در ایروین به ساخت باتری ابدی نزدیکتر شده اند. آنها یک باتری نانوسیم ساخته اند که می تواند صدها هزار بار شارژ شود.

و مهندسان دانشگاه رایس موفق به ایجاد دستگاهی شدند که در دمای 150 درجه سانتیگراد بدون از دست دادن کارایی کار می کند. منتشر شده