باتری آلومینیومی جدید ارزان، ظرفیت بالا و سریع

ارزان، ظرفیت بالا و سریع: فناوری باتری آلومینیومی جدید تمام اینها را نوید می‌دهد.

نکته مهم این است که برای کار کردن باید تقریبا در نقطه جوش آب باشد.

یک جمله کلاسیک در مورد فناوری‌های جدید وجود دارد. آن این است که کاربران مجبور هستند خود را به دو مورد از این سه مورد محدود کنند: سریع، ارزان و مناسب.

وقتی فناوری در مورد باتری باشد، پذیرش از سوی کاربران چالش برانگیزتر است.

ارزان بودن و شارژ سریع هنوز هم مهم است، اما “مناسب” می‌تواند معانی مختلفی داشته باشد.

مانند وزن سبک، حجم کم یا طول عمر طولانی که بستگی به نیاز شما دارد.

اگر واقعا به دنبال شارژ سریع هستید، احتمالا باید باتری با ظرفیت کمتر را انتخاب کنید.

علی رغم رسانایی عظیم لیتیوم، از نظر فناوری و قابلیت‌های ساخت، این سَبُک سنگین کردن‌ها باعث ادامه تحقیقات در مورد ترکیبات شیمیایی باتری‌های جایگزین می‌شود.

هنوز هم این امید وجود دارد که برخی ترکیبات دیگر بتوانند افت شدید قیمت یا افزایش برخی معیارهای عملکردی را ایجاد کنند.

بر اساس مقاله‌ای که اخیرا منتشر شد، افت قیمت همراه با افزایش زیاد عملکرد از اقدامات انجام شده است.

باتری‌های سولفور آلومینیوم، مواد خام ارزان قیمت، اندازه رقابتی و ظرفیت بیشتر در هر وزن را نسبت به لیتیوم یون ارائه می‌کنند.

باتری آلومینیومی، دارای قابلیت شارژ کامل سلول‌ها در کمتر از یک دقیقه است.

یک مشکلات واضحی که در حال حاضر دارد این است که برای کار کردن باید در دمای 90 درجه سانتیگراد (تقریبا نقطه جوش آب) باشد.

آیا باتری آلومینیومی می‌تواند؟

مدتی است که مردم به ظرفیت نظری بالای باتری‌های مبتنی بر آلومینیوم فکر می‌کنند.

در حالی که هر اتم آلومینیوم کمی سنگین‌تر از لیتیوم است، اتم‌ها و یون‌های آلومینیوم از نظر فیزیکی کوچک‌تر هستند.

زیرا بار مثبت بیشتر هسته، کمی الکترون‌ها را به سمت خود می‌کشد.

بعلاوه، آلومینیوم به راحتی در هر اتم سه الکترون از خود جدا می کند، به این معنی که می‌توانید بار زیادی را برای هر یون درگیر جابجا کنید.

یک مشکل بزرگ این است که از نظر شیمیایی، آلومینیوم مکش است.

بسیاری از ترکیبات آلومینیوم به شدت در آب نامحلول هستند و اکسیدهای آنها به شدت پایدار هستند.

به نظر می‌رسد معیوب کردن باتری پس از چند چرخه شارژ/دشارژ برای چیزی که باید یک واکنش جانبی جزئی باشد، آسان است.

بنابراین، در حالی که کار ادامه دارد، نظریه ظرفیت‌های بالا، اغلب مانند این است که هرگز در عمل محقق نمی‌شود.

کلید کار جدید این بود که متوجه شدیم یکی از مشکلات بزرگ ساخت یک الکترود فلزی آلومینیوم را حل کرده‌ایم – ما این کار را در زمینه‌ای کاملا متفاوت انجام دادیم.

الکترودهای فلزی خالص موجب افزایش سادگی و حجم باتری می‌شوند.

زیرا هیچ ترکیب شیمیایی واقعی در آن دخیل نیست و برای پر کردن یون‌های فلزی به مواد اضافی نیاز ندارید.

اما فلز تمایل دارد به طور ناموزون روی الکترودهای باتری رسوب کند و در نهایت خارهایی به نام دندریت تولید می‌کند.

دندریت‌ها رشد می‌کنند تا زمانی که به سایر اجزای باتری آسیب بزنند یا سلول را به طور کامل کوتاه کنند. بنابراین، کشف چگونگی رسوب یکنواخت فلز یک مانع بزرگ بود.

درک کلیدی در اینجا این است که ما می‌دانیم که چگونه آلومینیوم به طور یکنواخت رسوب می‌کند. در واقع، همیشه وقتی می‌خواهیم آلومینیوم را روی فلز دیگری آبکاری کنیم، این کار را انجام می‌دهیم.

این کار، اغلب با استفاده از نمک مذاب کلرید آلومینیوم انجام می‌شود.

در نمک مذاب، یون‌های آلومینیوم و کلر تمایل دارند زنجیره‌های بلندی از اتم‌های متناوب را تشکیل دهند.

زمانی که آلومینیوم روی سطحی رسوب می‌کند، تمایل دارد از مرکز این زنجیره‌ها خارج شود و حجم فیزیکی بقیه زنجیره، انجام این کار را روی سطح صاف آسان‌تر می‌کند.

در نمک مذاب، یون‌های آلومینیوم می‌توانند به سرعت از یک الکترود به الکترود دیگر حرکت کنند.

مشکل بزرگ این است که کلرید آلومینیوم فقط در دمای 192 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود.

اما مخلوط کردن مقداری کلرید سدیم و کلرید پتاسیم این دما را به 90 درجه سانتیگراد کاهش داد – یعنی زیر نقطه جوش آب و سازگار با طیف وسیع‌تری از مواد اضافی.

ساندویچ نمک

با این کار، محققان دو سوم باتری آلومینیومی را داشتند. یک الکترود، فلز آلومینیوم بود و الکترولیت، کلرید آلومینیوم مایع بود که باعث می‌شود الکترود دوم شناسایی شود.

در اینجا، نمونه‌های زیادی از ذخیره آلومینیوم به عنوان یک ترکیب شیمیایی با عناصر زیر اکسیژن در جدول تناوبی، مانند سولفور یا سلنیوم وجود دارد.

برای اهداف تصویربرداری، تیم با سلنیوم کار کرد و یک سلول باتری آزمایشی ایجاد کرد و تایید کرد که مطابق انتظارات رفتار کرد.

تصویربرداری از آلومینیوم نشان داد که پس از چند چرخه شارژ و دشارژ، سطح تا حدودی پوشانده شده بود.

اما هیچ ماده اضافی به صورت تکه‌ای بزرگ یا نقطه‌ای از آن خارج نشد که بتواند به باتری آسیب برساند.

به نظر می‌رسد که واکنش‌های الکترود سلنیوم در نمک مذاب قبل از پایان روی سطح الکترود شروع می‌شود.

به طور کلی، سلول عملکرد پایداری را در ده‌ها چرخه و ظرفیت بالایی در هر وزن که آلومینیوم باید ارائه کند، نشان داد.

بنابراین، تیم به ساخت و آزمایش سلول‌هایی که واقعا به آن‌ها علاقه داشتند ادامه داد: سولفور آلومینیوم.

در سرعت‌های آهسته دشارژ، سلول‌های سولفور آلومینیوم دارای ظرفیت شارژ به ازای هر وزن بودند که بیش از سه برابر باتری‌های لیتیوم یونی بود.

این رقم با افزایش نرخ شارژ/دشارژ کاهش یافت، اما عملکرد باتری، عالی باقی ماند.

اگر باتری در بیش از دو ساعت دشارژ و تنها در شش دقیقه شارژ می‌شد، چه؟

ظرفیت شارژ به ازای وزن آن 25 درصد بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی بود و 80 درصد این ظرفیت، بعد از 500 چرخه، حفظ می‌شد – بسیار فراتر از آنچه شما با اکثر ترکیبات لیتیوم می‌بینید.

اگر زمان شارژ را به کمی بیش از یک دقیقه کاهش دهید، ظرفیت هر وزن تقریبا برابر با یک باتری لیتیوم یونی است. یعنی بیش از 80 درصد از این ظرفیت هنوز پس از 200 چرخه در دسترس است.

باتری حتی می‌تواند شارژ کامل را در کمتر از 20 ثانیه تاب بیاور. اگرچه ظرفیت هر وزن تنها کمی بیش از نصف مقداری است که از لیتیوم یون دریافت می‌کنید.

چند هشدار

چند نکته جهت احتیاط وجود دارد که قابل توجه است. یکی این که باتری برای این نوع عملکرد باید در حدود 110 درجه سانتیگراد باشد.

با عایق‌بندی خوب، فقط به یک بخاری کوچک نیاز دارد تا اشیا را مذاب کند.

پس از آن، گرمای تولید شده در طول چرخه شارژ/دشارژ باعث می‌شود کار ادامه پیدا کند.

با این که عایق ممکن است کمی به حجم عمده باتری اضافه کند، می‌توانید بدون سخت افزار خنک کننده‌‌ای که برخی از برنامه‌های لیتیوم یونی نیاز دارند، از آن بگذرید.

هشدار مهمتر این است که با هر گونه آلودگی آب مواد، باتری شروع به تولید سولفید هیدروژن می‌کند که هم سمی و هم بسیار قابل اشتعال است.

احتمال دارد اگر محتویات باتری با محیط تماس پیدا کند، مانند برخی از گزینه‌های لیتیوم یونی، سریع مشتعل شود.

پس ممکن است خطر آتش سوزی قبل از سرد شدن و جامد شدن نمک به وجود بیاید.

از جنبه مثبت معاوضه‌ها، شارژ در هر حجم احتمالا مشابه برخی از مواد شیمیایی لیتیوم موجود خواهد بود و هزینه‌های مواد خام تقریبا کم است.

– محققان زیر 9 دلار در هر کیلووات ساعت یا حدود 15 درصد لیتیوم را محاسبه می‌کنند.

یون شیمی نیز به طور خاص شلوغ نیست. محققان یک فویل آلومینیومی را از فروشگاه مواد غذایی برداشتند و دریافتند که به خوبی به عنوان یک الکترود کار می‌کند.

به این احتمال اشاره دارد که تولید انبوه ممکن است همچنان با عملکرد بالای این سلول‌های دست ساز سازگار باشد.

در نهایت، تیم اشاره می‌کند که سادگی شیمی باید قابلیت بازیافت باتری‌ها را در پایان عمر افزایش دهد.

هیچ کدام از اینها به این معنی نیست که این فناوری می‌تواند به ما اجازه دهد بلیط یک طرفه باتری برای قلب را بخریم.

در حالی که قبلا شرکتی برای تجاری‌ سازی این فناوری تشکیل شده است.

در حال حاضر نیز، زیرساخت عظیمی برای تولید باتری لیتیوم یونی وجود دارد.

ضمن این که، فناوری‌ها دائما در حال بهبود هستند.

اما اگر منابع مواد خام برای باتری‌های جریان اصلی محدود شود، داشتن فناوری، مبتنی بر مواد شیمیایی فراوان، می‌تواند بسیار مفید باشد.

منبع :

          arsTECHNICA

            رایانو