باتری حالت جامد

فناوری های گوشی های هوشمند به سرعت در حال پیشرفت هستند، اما سرعت پیشرفت باتری ها این گونه نیست. توسعه باتری های لیتیوم-یونی و لیتیوم-پلیمری با محدودیت های فیزیکی مواجه شده است و احتمالاً پیشرفت بسیار کندی خواهند داشت. اما باتری حالت جامد می تواند راه حلی برای حل مشکل ماندگاری باتری و پیشرفت کند تکنولوژی های مربوط به باتری باشد.

باتری حالت جامد چیست؟

در طراحی باتری های کنونی که بیشتر لیتیوم-یونی هستند، از دو الکترود فلزی استفاده شده است که در درون مایع نمک لیتیوم به عنوان الکترولیت قرار دارند. ذرات یونی در طول شارژ شدن باتری از یک الکترود (کاتد) به سمت الکترود دیگر (آند) حرکت می کنند، و هنگامی که باتری مصرف می شود در جهت عکس حرکت می کنند. الکترولیت مایع حاوی نمک لیتیوم محیطی است که یون ها در درون آن حرکت می کنند. در باتری های اسیدی اتومبیل، اسید نقش الکترولیت را ایفا می کند.

در یک باتری حالت جامد، الکترود های مثبت و منفی و الکترولیت بین آن ها از فلزات جامد تشکیل شده اند، و برخی از آن ها از مواد مصنوعی ساخته شده اند. کلمه Solid-State ممکن است هاردهای SSD یا Solid State Drive را به یاد ما بیاورند، و این شباهت اسامی اتفاقی نیست. هارد های SSD از حافظه های نوع فلش استفاده می کنند که حرکت نمی کنند ( برخلاف هاردهای معمولی که دارای حرکت هستند و از دیسک های مغناطیسی گردان استفاده می کنند).

ایده استفاده از باتری حالت جامد به دهه ها قبل باز می گردد و پیشرفت هایی در این زمینه انجام شده است. شرکت های الکترونیکی و تولید کننده های اتومبیل در حال توسعه این تکنولوژی هستند.

باتری های حالت جامد چه مزیت هایی دارند؟

باتری های حالت جامد دارای چند برتری واضح نسبت به باتری های پر شده از مایعات دارند. از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:

    عمر و ظرفیت بیشتر باتری

    زمان شارژ کمتر

    امنیت بیشتر

باتری های حالت جامد آند، کاتد و الکترولیت را به چند لایه مسطح تبدیل کرده اند و بر خلاف نسل قبلی، الکترودها درون یک الکترولیت مایع قرار نگرفته اند. بنابراین شما می توانید آن ها را کوچک تر کنید در حالی که انرژی بیشتری از باتری های معمولی تولید می کنند. پس اگر شما باتری معمولی گوشی و یا لپ تاپ خود را با یک باتری حالت جامد با همان اندازه جایگزین کنید، می توانید از شارژ بسیار بهتری بهره مند شوید. به عبارت دیگر می توان دستگاه هایی تولید کرد که همان شارژ باتری های معمولی را دریافت می کنند اما به مراتب کوچک تر و باریک تر هستند.

معایب باتری حالت جامد

باتری های حالت جامد همچنین امنیت بیشتری دارند چرا که از مواد سمی و آتش زا در آن ها استفاده نمی شود و به اندازه باتری های معمولی هم گرما تولید نمی کنند. با ورود این باتری ها دیگر شاهد منفجر شدن و آتش گرفتن باری ها نخواهیم بود.

این باتری های می توانند بسیار سریع شارژ شوند زیرا یون ها یا الکترون ها می توانند بسیار سریعتر بین کاتد و آند جابجا شوند. بر اساس پژوهش هایی که به تازگی انجام شده است، باتری های حالت جامد از لحاظ ظرفیت ۵۰۰ بار از باتری های معمولی بهتر عمل می کنند. سرعت شارژ این باتری ها ۱۰ برابر باتری های معمولی است.

معایب باتری های حالت جامد:

به دلیل اینکه باتری های حالت جامد یک تکنولوژی نوظهور هستند، هزینه تولید آن ها به طرزی باورنکردنی زیاد است. تا امروز این نوع باتری ها در هیچ دستگاه الکترونیکی که به صورت انبوه تولید شده باشد، به کار گرفته نشده اند. در تحقیقی که در سال ۲۰۱۲ انجام شده بود، قیمت تولید یک باتری حالت جامد مناسب یک گوشی هوشمند، ۱۵۰۰ دلار تخمین زده شد. بنابراین اگر بخواهیم یک باتری خودروی حالت جامد بسازیم باید ۱۰۰,۰۰۰ دلار هزینه کنیم.

بخشی از این مشکل به دلیل نبود خطوط تولید انبوه باتری های حال جامد است. تنها چند شرکت و دانشکاه محدود در این زمینه تحقیق می کنند، بنابراین هزینه تولید یک باتری حالت جامد نجومی است.

مشکل دیگر مواد تشکیل دهنده این باتری ها هستند. با این که ویژگی های فلزات، آلیاژها و نمک های فلزی مورد استفاده در باتری های کنونی کاملاً برای ما شناخته شده است، در مورد باتری های حالت جامد چنین نیست. در حال حاضر ما نمی دانیم که بهترین ترکیب شمیایی برای الکترولیت بین آند و کاتد چیست. تحقیقاتی در حال انجام است اما اطلاعات بیشتری برای ساخت موادی مناسب نیاز است. موادی که هم ارزان باشند و هم ساخت آن ها آسان و سریع باشد.

کی می توانیم از باتری های حالت جامد در سطح وسیع استفاده کنیم؟

هیچ زمان دقیقی نمی توان برای عرضه عمومی این نوع باتری ها مشخص کرد، تنها می توان حدس هایی در این مورد زد. با این که کمپانی های زیادی در حال سرمایه گزاری برای تولید باتری های حالت جامد هستند، اما در آینده ای نزدیک شاهد ورود این تکنولوژی به صورت تولید انبوه به بازارها نخواهیم بود. تنها یک کمپانی خودروساز به نام فیسکر ادعا کرده است که خودروی برقی خود را تا سال ۲۰۲۳ با این تکنولوژی عرضه خواهد کرد. این خودرو بنابر ادعای فیسکر در یک دقیقه شارژ خواهد شد و با یک بار شارژ ۵۰۰ مایل حرکت خواهد کرد. به نظر می رسد این خودرو در صورت عرضه قیمت بسیار بالایی خواهد داشت. ممکن است تا ۲۰ سال دیگر هم شاهد عرضه انبوه این نوع باتری نباشیم. زمانی که مواد مناسب ساخته شده باشند و فرآیند ساخت ارزان آن ها طراحی شده باشد.

 

همان طور که گفتیم تکنولوژی کنونی تولید باتری به درهای بسته خورده است و توسعه یک تکنولوژی جدید برای تولید باتری الزامی به نظر می رسد. اما یک احتمال خیلی خیلی ضعیف هم وجود دارد که بتوانیم به زودی از باتری حالت جامد استفاده کنیم.