آیا صنعت‌ باتری‌سازی انقلاب صنعتی بعدی را رقم خواهد زد؟

چرا باتری‌سازی به صنعتی پول‌ساز تبدیل شده است؟

قیمت باتری‌های لیتیوم-یون کاهش زیادی پیدا کرده و همین موضوع باعث شده تا شاهد حضور گسترده‌ این باتری‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی شخصی و خودروهای برقی باشیم. علاوه بر این، شرکت‌های زیاد به دنبال ذخیره‌سازی انرژی خورشید و بادی هستند و مالکان خانه‌های شخصی نیز برای دسترسی پایدار به انرژی به دنبال باتری‌های لیتیوم-یون هستند. 

با این‌حال همراه با این رشد گسترده، زباله‌های زیادی تولید می‌شوند. متاسفانه بیشتر باتری‌ها در سطل‌های زباله ریخته می‌شوند و همین موضوع نرخ بازیابی آن‌ها را به شدت کاهش می‌دهد. به‌طور مثال، نرخ بازیافت سلول‌های لیتیوم-یون در ایالات متحده و اروپا تنها 5 درصد است. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال یافتن راه‌هایی هستند تا بتوان به شکل بهتری به بازیافت باتری‌های لیتیوم-یونی پرداخت. با این‌حال، اگر این اتفاق بیافتد، باید به فکر گسترش فرهنگی باشیم که افراد و شرکت‌ها بدانند که بازیافت باتری چه مزایایی به همراه دارد و به راحتی باتری‌های تمام شده را روانه سطل‌های زباله نکنند. متاسفانه مقدار لیتیوم در دسترس محدود است.

استخراج لیتیوم و کبالت (که به‌طور گسترده برای الکترود مثبت باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شود) با هزینه‌های بسیار زیاد انسانی و زیست‌محیطی به دست می‌آید. علاوه بر این، کبالت در چند سال گذشته قیمت زیادی داشته است. مشکلات مختلفی که پیش‌روی صنعت باتری‌سازی وجود دارد این پرسش را به وجود می‌آورند که آیا امکان ساخت باتری‌های ارزان‌تر و سازگار با محیط‌زیست وجود دارد، آیا می‌توانیم از مواد بهتر و کم خطر‌تری استفاده کنیم و در آینده نزدیک از باتری‌های جدیدتری استفاده کنیم؟ پژوهشگران مختلفی در حال مطالعه روی این موضوع هستند. از دهه 90 میلادی به بعد بیش از 300 هزار اختراع در ارتباط با باتری‌ها به ثبت رسیده است. به‌طوری که بالغ بر 30 هزار پتنت تنها در سال 2017 به ثبت رسیده‌اند.

در شرایطی که درصد زیادی از این اختراعات پیرامون فناوری لیتیون-یون هستند، اما کارهای تحقیقاتی زیادی در زمینه الکترولیت حالت جامد، آند سیلیکون‌محور، لیتیوم-هوا، گرافن و مواردی از این دست است انجام شده است. درست است که بیشتر این باتری‌ها موفق نخواهند شد در کوتاه‌مدت همانند باتری‌های لیتیوم-یون بازار مصرفی را از آن خود کنند، اما زمینه را برای جایگزینی باتری‌های لیتیوم-یون آماده می‌کنند.

در ادامه به برخی از محبوب‌ترین گزینه‌ها اشاره خواهیم داشت. 

فسفات لیتیوم آهن

به لحاظ فنی، فسفات لیتیوم آهن نمونه دیگری از باتری لیتیوم-یون است، اما مزایای قابل توجهی دارد که از آن جمله باید به ارزان‌تر بودن، انرژی متراکم‌تر، عمر طولانی‌تر و عدم شعله‌ور شدن در صورت پارگی داخلی اشاره کرد. از نکات منفی این باتری‌ها باید به وزن زیاد اشاره کرد که مانع از آن می‌شود تا بتوان از آن‌ها در دستگاه‌های همراه مثل گوشی‌های هوشمند استفاده کرد. البته این نوع باتری‌ها هنوز از لیتیوم استفاده می‌کنند و مسیر بازیافت آن‌ها مشخص نیست. 

لیتیوم-گوگرد

برخی از کاشناسان معتقدند که بهتر است ذخیره انرژی با لیتیوم-گوگرد را جایگزین لیتیوم-یون کنیم، زیرا این باتری‌ها سبک‌تر هستند و چگالی بیشتری دارند. علاوه بر این گوگرد به شکل گسترده در طبیعت وجود دارد و ارزان‌تر است. چه تفاوتی میان باتری‌های لیتیوم-گوگرد با لیتیوم-یون وجود دارد؟ پروفسور لیندا نظر از آزمایشگاه V در دانشگاه واترلو کانادا در 10 سال گذشته تحقیقات جامعی در ارتباط با باتری‌های لیتیوم-گوگرد انجام داده است. او می‌گوید: «شارژ و تخلیه باتری‌های لیتیوم-یون مانند ورود و خروج خودروها به پارکینگ است، اما فرآیند فوق در ارتباط با باتری‌های لیتیوم-گوگرد به این صورت عمل می‌کند که همه چیز به‌طور کامل خراب می‌شوند و پس از شارژ مجدد سلول دومرتبه فرآیند بازسازی انجام می‌شود. واکنش شیمیایی در این زمینه شباهت زیادی به باتری‌های سرب-اسیدی دارد. این واکنشی است که در آن یک تحول ساختاری و شیمیایی کامل به وجود می‌آید. این باتری‌های مزایا و معایب خاص خود را دارند. آن‌ها می‌توانند الکترون‌های بیشتری را ذخیره کنند، با این‌حال گوگرد رسانایی نسبتا کمی دارد و پس از تخلیه باعث ایجاد تغییراتی در باتری می‌شود.» 

تیم تحقیقاتی مستقر در آزمایشگاه دانشگاه واترلو در حال تغییر مولفه‌های موجود در این باتری با هدف افزایش چرخه عمر و بهینه‌سازی واکنش‌های داخلی باتری هستند. اگر برخی چالش‌های مهم باتری برطرف شوند، این امکان وجود دارد که از باتری‌های مذکور در صنعت هوانوردی و هواپیماهای بدون سرنشین استفاده کرد. در حال حاضر به شکل آزمایشی هواپیماهای Zephyr و پهبادها توانسته‌اند با اتکا بر انرژی الکتریکی که این باتری‌های تولید می‌کنند پروازهای طولانی انجام دهند. 

سدیم-یون

جالب است یک عنصر جدول تناوبی که برای قلب مضر است، برای باتری‌ها خوب عمل می‌کند. پژوهش در مورد باتری‌های سدیم-یون از دهه 70 میلادی و تقریبا همزمان با ذخیره‌سازی انرژی لیتیوم-یون آغاز شد. هر دو عنصر در جدول تناوبی همسایه یکدیگر هستند، اما بعد از آن، استفاده از لیتیوم-یون سرعت گرفت و سدیم-یون به مدت سه ده به دلیل انرژی کمتری که ارائه می‌کرد کنار گذاشته شد. پروفسور لیندا نظر که آزمایشگاه تحت سرپرستی وی در ارتباط با ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر سدیم در حال پژوهش است در این خصوص می‌گوید: «به نظر می‌رسد، سدیم بهترین ماده‌ای است که پیرامون ما قرار دارد. باتری‌های سدیم-یون می‌توانند با عناصر مختلف زمین به ویژه عناصری که هزینه کمتری دارند کار کنند. با این‌حال، رسیدن به نقطه‌ای که این عناصر بدون مشکل با یکدیگر کار کنند چالش‌برانگیز است، زیرا هیچکدام عملکردی شبیه به لیتیوم ندارند.» به‌گفته خانم نظر، برخی شرکت‌ها فکر می‌کنند سرمایه‌گذاری روی باتری‌های سدیم-یون ارزش زیادی ندارد، زیرا هزینه ساخت باتری‌های لیتیوم-یون دائما در حال کاهش است. وی می‌گوید: «فکر می‌کنم سرمایه‌گذاری روی ساخت باتری‌های سدیم-یون ارزش زیادی دارد. حتا اگر یک در هزار این احتمال وجود داشته باشد که باتری‌های یون سدیم با چگالی انرژی بالا به خوبی کار کنند، یک گام ارزشمند در این زمینه برداشته شده است.»

قند/شکر

شاید باور نکنید، اما این امکان وجود دارد که به راحتی یک باتری را با شکر تولید کنید. اولین بار در سال 2007 سونی گزارشی جامع در ارتباط با یک پژوهش تحقیقاتی منتشر کرد که در ارتباط با واکنش مالتودکسترین برای ساخت انرژی بود. در شرایطی که در دسترس بودن مواد و سازگاری با محیط زیست باتری‌های شکری به مراتب بیشتر از لیتیوم-یون است، اما واکنش شیمیایی آن‌ها کمتر از باتری‌های لیتیوم-یون است. اگرچه نمونه اولیه در سال 2007 میلادی ارائه شد، اما فرآیند ساخت باتری‌های شکری جای کار بیشتری دارد. در سال 2016 یک تیم تحقیقاتی از موسسه MIT به ‌رهبری پروفسور مایکل استرانو دستگاهی به‌نام موج ترموپاور (Thermopower Wave) طراحی کردند که عملکردی بهتر از باتری‌های شکری مفهومی اولیه داشت و توانست یک چراغ LED تجاری را روشن کند. رویکرد فوق یک پیشرفت هیجان‌برانگیز بود، زیرا شکر فراوان است. بنابراین اگر بتوانیم راهی مناسب برای ساخت باتری‌ها پیدا کنیم، فرآیند تجاری‌سازی و گسترش‌پذیری آن به سرعت به سرانجام می‌رسد. متاسفانه هنوز چند سالی با عرضه گسترده این فناوری در قالب یک محصول تجاری فاصله داریم. 

جریانی

ساختار یک باتری جریانی (Flow Battery) متفاوت از سایر باتری‌ها است. در باتری‌های جریانی به جای قرار دادن چند ماده واکنشی در کنار هم در یک بسته واحد (مانند باتری‌های معمولی) از مایعات واکنش‌پذیر که در محفظه‌های جداگانه ذخیره‌سازی می‌شوند و سپس برای ساخت انرژی به سیستم پمپاژ می‌شوند استفاده می‌شود. البته این مدل باتری‌ها بزرگ هستند و برای ذخیره‌ انرژی موردنیاز تاسیسات بزرگ کاربرد دارند و قرار نیست برای تامین انرژی دستگاه‌های خانگی ساخته شوند. اولین باتری جریانی حدود 454 کیلوگرم وزن داشت و در اواخر قرن 19 اختراع شد تا برای کشتی هوایی French استفاده شود. با این‌حال، علاقه به ساخت تجهیزات انرژی ماژولار کمتر از گذشته است. تیموتی کوک استاد شیمی دانشگاه بوفالو می‌گوید: «فکر می‌کنم عاملی که باعث می‌شود تا شرکت‌ها علاقه‌مند به ساخت باتری‌های جریانی شوند ساخت نسل بعدی باتری‌ها برای تلفن‌های همراه یا کامپیوترهای شخصی نیست، بلکه ذخیره‌سازی انرژی در مقایس متوسط و بزرگ برای صنایع بزرگ و مراکز داده‌ها است. هرچه خانه‌های بیشتری به سمت استفاده از انرژی خورشید بروند، بازار ذخیره‌ساز‌های انرژی شخصی نیز رشد خواهد کرد. این موضوع باعث خواهد شد در زیرزمین خانه به جای یک ژنراتور از یک باتری جریانی استفاده کنید.»  در شرایطی که قدرتمندتر شدن باتری‌های یون-لیتیوم به معنای افزایش اندازه باتری است، اما طراحی باتری‌های جریانی با هدف افزایش انرژی باعث بزرگ‌ترین شدن حجم مخازن می‌شود. شرکت پاور اند الکتریکی سن دیگو به تازگی موفق به نصب یک باتری جریان شده که قادر است انرژی 1000 خانه را تامین کند. کوک در این خصوص می‌گوید: «نیازی به تغییر ابعاد غشا ندارید. به همین دلیل ساده است که مقیاس را بالا یا پایین بیاورید یا به‌طور سفارشی آن‌را نصب کنید.»

چرخه شارژدهی باتری‌های جریانی بیشتر از باتری‌های رایج است. قابلیت جایگزینی مایعات یا جایگزین کردن سایر بخش‌های متحرک به این معنی است که عمر احتمالی این مدل باتری‌ها تقریبا نامحدود است. البته روند ورود این باتری‌ها به بازار آهسته است. حتا اگر شرکت‌ها تصمیم بگیرند باتری‌های جریانی را در مقیاس صنعتی به فروش برسانند، پروفسور کوک بر این باور است که دست‌کم به 5 تا 10 سال زمان نیاز است تا این باتری‌ها با استقبال عمومی روبرو شوند. با این‌حال معتقد است که سرانجام این باتری‌ها در خودروهای الکتریکی به کار گرفته می‌شوند. 

کاغذ

ساخت باتری از کاغذ مزایای زیادی دارد. کاغذ نازک و انعطاف‌پذیر است و اگر با مواد درست ساخته شود در محیط‌زیست تجزیه می‌شود. تیمی از دانشگاه استنفورد توانسته‌اند با پوشش ورق‌های نازک با جوهر اشباع شده از کربن و نقره، باتری‌های کاغذی اولیه ایجاد کنند که تحسین فعالان محیط‌زیست را به همراه داشته است. در همین ارتباط پروفسور سئوکن چوی توانسته چند نمونه اولیه طراحی کند که یکی از آن‌ها با آب دهان انسان و دیگری با باکتری کار می‌کند. در یکی از این نمونه‌ها آقای چوی و پروفسور اومونمی سادیک موفق شدند یک زیست‌باتری که ترکیبی از پلی (آمیک) اسید و پیروملیتی دیانیدرید پی فنیلن دی آمین است را طراحی کنند که در گروه منابع انرژی تجزیه‌پذیر طبقه‌بندی می‌شوند.

در شرایطی که کاربرد تجاری باتری‌های کاغذی به دلیل خروجی برق کمی که تولید می‌کنند محدود است (به‌طور مثال تنها 20 دقیقه انرژی یک چراغ LED را تامین می‌کنند)، اما پژوهشگران امیدوار هستند که از این باتری‌ها بتوان در تجهیزات الکترونیکی بی‌سیم و برنامه‌های پزشکی و تجهیزات اینترنت اشیا کم مصرف استفاده کرد. 

هوا

هوا این قابلیت را دارد تا بتواند به یک منبع الکتریکی تبدیل شود. باتری‌های روی-هوا که به اندازه آبنبات هستند و از طریق واکنش بین اکسیژن و روی انرژی تولید می‌کنند چند سالی است در صنعت سمعک‌سازی استفاده می‌شوند. روی ارزن‌‌قیمت است و به شکل گسترده‌ای در دسترس قرار دارد. به‌همین دلیل، فناوری مذکور مقرون به‌صرفه است و برای محیط‌زیست خطری ندارد، اما در زمینه شارژ مجدد محدودیت‌هایی دارد. به‌طور مثال، در هنگام شارژ احتمال شکل‌گیری بلورهای کریستال‌های دندریت وجود دارد که باعث کوتاه شدن عمر باتری می‌شوند زیرا یک اتصال کوتاه به وجود می‌آورند. به همین دلیل پژوهشگران آزمایش‌های مختلفی انجام داده‌اند تا روی را با مواد دیگری جایگزین کنند، رویکردی که هم اکنون به شکل آزمایشی در اتوبوس‌های برقی سنگاپور آزمایش می‌شود. علاوه بر این، آزمایش‌های دیگری با استفاده از باتری‌های لیتیوم-هوا و فلز-هوا با درجات مختلف چگالی انرژی، سطح قدرت و هزینه انجام شده است. در یک دهه گذشته، تسلا چند اختراع مختلف در ارتباط با شارژ باتری‌های لیتیوم-هوا ثبت کرده که نشان می‌دهد در آینده نزدیک باتری لیتیوم-هوا به دستگاه‌هایی فراتر از سمعک‌ها راه پیدا خواهند کرد. 

آهن

چند سال قبل، پروفسور پیتر آلن استاد شیمی دانشگاه آیداهو ویدیویی جالب در ارتباط با علم باتری در یوتیوب منتشر کرد و متوجه شد مردم نسبت به باتری و موادی که در ساخت آن استفاده می‌شوند علاقه‌مند هستند. به‌طوری که در نهایت یک برنامه آموزشی در خصوص چگونگی ساخت یک باتری آهنی منتشر کرد. بلافاصله ویدیو‌های مختلفی در ارتباط با چگونگی ساخت، مشکلات و چالش‌های پیش‌روی ساخت این باتری‌ها در یوتیوب منتشر شدند.

این پروفسور برجسته حوزه شیمی بیولوژیک می‌گوید: «نمی‌خواهم خودم را به عنوان یک متخصص ساخت باتری‌ها معرفی کنم، اما هدفم از انتشار ویدیوها این بود که نشان دهم در ساخت یک باتری ارزان‌قیمت مجبور نیستید به انتظار بنشینید تا شرکت‌ها این‌کار را برای شما انجام دهند. ایده ساخت باتری آهنی نزدیک به 100 سال قدمت دارد، اما برخی بر این باور هستند که سرمایه‌گذاری روی این فناوری مفید نیست. من می‌گویم بیایید و آزمایش کنید. به هر صورت نکات جالبی یاد می‌گیرید.» بعد از گذشت دو سال بیش از 30 تغییر در ساخت این باتری‌ها انجام داد و با کمک دانشجویان دوره کارشناسی به این نکته مهم دست پیدا کرد که چگونه مواد مایع و جامد را متعادل کند تا مقدار بهینه چگالی انرژی با قدرت کم را ایجاد کند.

او می‌گوید: «اکنون یک واکنش داریم که کار می‌کند، اما روند آهسته‌ای دارد، چگونه سرعت را افزایش دهیم؟ اگر بتوانیم چالش فوق را برطرف کنیم این امکان وجود دارد تا بتوانیم باتری‌های آهنی را در نیروگاه‌های خورشیدی مستقر کنیم.» 

برنده این میدان کیست؟ 

آیا باتری آهن آلن به لحاظ تجاری همیشه قابل استفاده است؟ او در پاسخ می‌گوید: «مطمئن نیستم این مدل باتری‌ها را بتوان برای کاربردهای عمومی به تولید انبوه رساند. به عقیده من تنها تعداد کمی از اختراعات به بازار راه پیدا می‌کنند. شما تحقیقات اولیه‌ای انجام داده‌اید که جالب هستند.

با این‌حال، یک سوال اساسی وجود دارد که آیا می‌توان این ایده‌ها را به تولید انبوه رساند، آیا شرکت‌های بزرگ متقاعد می‌شوند تا سرمایه‌گذاری هنگفت روی ایده‌هایی انجام دهند که مطمئن نیستند سودآوری تجاری دارد یا خیر. بین تحقیقات بنیادین و پیدا کردن بهترین گزینه برای ساخت یک باتری تجاری فاصله وجود دارد. در تحقیقات علمی مفهومی به‌نام دره مرگ وجود دارد». 

در سال 2019، سرمایه‌گذاران خطر‌پذیر 1.7 میلیارد دلار روی استارت‌آپ‌های باتری سرمایه‌گذاری کردند که از این مقدار 1.4 میلیارد دلار صرف تحقیقات مرتبط با باتری‌های لیتیوم-یون شد. البته باتری‌های جریانی، روی-هوا، فلز مایع و فناوری‌های مشابه موفق به جذب سرمایه‌گذار شدند. در حالی که باتری‌های لیتیوم-یون دست‌کم به مدت 10 سال دیگر سهم بزرگی از بازار را به خود اختصاص می‌دهند، اما این احتمال وجود دارد که فناوری‌های دیگر با موفقیت از دره مرگ عبور کنند.