آینده فناوری باتری: آندهای سیلیکونی، گرافن، باتری های آلومینیوم-اکسیژن و غیره.

یادداشت سردبیر: فناوری الکتریکی آینده زمین سبز است و فناوری باتری پایه و اساس فناوری الکتریکی و کلید محدود کردن توسعه گسترده فناوری الکتریکی است. فن‌آوری جریان اصلی باتری فعلی، باتری‌های لیتیوم یونی است که چگالی انرژی خوب و راندمان بالایی دارند. با این حال، لیتیوم یک عنصر کمیاب با هزینه بالا و منابع محدود است. در عین حال، با افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون دیگر کافی نیست. چگونه پاسخ دهیم Mayank Jain از برخی فناوری‌های باتری استفاده کرده است که ممکن است در آینده مورد استفاده قرار گیرند. مقاله اصلی با عنوان: آینده فناوری باتری در رسانه منتشر شد

زمین پر از انرژی است و ما هر کاری که می توانیم انجام می دهیم تا آن انرژی را به دست آوریم و از آن به خوبی استفاده کنیم. اگرچه در انتقال به انرژی های تجدیدپذیر کار بهتری انجام داده ایم، اما در ذخیره سازی انرژی پیشرفت چندانی نداشته ایم.
در حال حاضر، بالاترین استاندارد فناوری باتری، باتری های لیتیوم یونی است. به نظر می رسد این باتری بهترین تراکم انرژی، راندمان بالا (حدود 99 درصد) و عمر طولانی را دارد.
پس چه اشکالی دارد؟ همانطور که انرژی تجدیدپذیری که ما جذب می کنیم به رشد خود ادامه می دهد، چگالی انرژی باتری های لیتیوم یون دیگر کافی نیست.
از آنجایی که می‌توانیم به تولید باتری‌ها به صورت دسته‌ای ادامه دهیم، به نظر می‌رسد که این مسئله چندان مهم نیست، اما مشکل اینجاست که لیتیوم یک فلز نسبتا کمیاب است، بنابراین هزینه آن کم نیست. اگرچه هزینه های تولید باتری در حال کاهش است، نیاز به ذخیره انرژی نیز به سرعت در حال افزایش است.
ما به نقطه‌ای رسیده‌ایم که وقتی باتری لیتیوم یونی تولید شود، تأثیر زیادی بر صنعت انرژی خواهد داشت.
چگالی انرژی بالاتر سوخت های فسیلی یک واقعیت است و این یک عامل تأثیرگذار بزرگ است که مانع از گذار به وابستگی کامل به انرژی های تجدیدپذیر می شود. ما به باتری هایی نیاز داریم که انرژی بیشتری نسبت به وزن ما منتشر کنند.
باتری های لیتیوم یون چگونه کار می کنند
مکانیسم کار باتری های لیتیومی مشابه باتری های شیمیایی معمولی AA یا AAA است. آنها دارای پایانه های آند و کاتد و یک الکترولیت در بین آنها هستند. برخلاف باتری‌های معمولی، واکنش تخلیه در باتری‌های لیتیوم یونی برگشت‌پذیر است، بنابراین باتری را می‌توان بارها و بارها شارژ کرد.

کاتد (ترمینال +) از فسفات آهن لیتیوم، آند (ترمینال) از گرافیت و گرافیت از کربن ساخته شده است. الکتریسیته فقط جریان الکترون هاست. این باتری ها با حرکت یون های لیتیوم بین آند و کاتد، الکتریسیته تولید می کنند.
هنگامی که شارژ می شود، یون ها به سمت آند حرکت می کنند و پس از تخلیه، یون ها به سمت کاتد می روند.
این حرکت یون ها باعث حرکت الکترون ها در مدار می شود، بنابراین حرکت یون لیتیوم و حرکت الکترون به هم مرتبط هستند.
باتری آند سیلیکونی
بسیاری از شرکت های خودروسازی بزرگ مانند BMW روی توسعه باتری های آند سیلیکونی سرمایه گذاری کرده اند. مانند باتری های لیتیوم یون معمولی، این باتری ها از آند لیتیومی استفاده می کنند، اما به جای آندهای مبتنی بر کربن، از سیلیکون استفاده می کنند.
به عنوان یک آند، سیلیکون بهتر از گرافیت است زیرا برای نگهداری لیتیوم به 4 اتم کربن نیاز دارد و 1 اتم سیلیکون می تواند 4 یون لیتیوم را در خود جای دهد. این یک ارتقاء بزرگ است ... باعث می شود سیلیکون 3 برابر قوی تر از گرافیت باشد.

با این وجود، استفاده از لیتیوم همچنان یک شمشیر دولبه است. این ماده هنوز گران است، اما انتقال امکانات تولید به سلول های سیلیکونی نیز آسان تر است. اگر باتری ها کاملاً متفاوت باشند، کارخانه باید کاملاً بازطراحی شود که باعث می شود از جذابیت سوئیچینگ اندکی کاسته شود.
آندهای سیلیکونی با پردازش شن و ماسه برای تولید سیلیکون خالص ساخته می‌شوند، اما بزرگترین مشکلی که محققان در حال حاضر با آن روبرو هستند این است که آندهای سیلیکونی هنگام استفاده متورم می‌شوند. این می تواند باعث شود باتری خیلی سریع خراب شود. همچنین تولید انبوه آند دشوار است.

باتری گرافن
گرافن نوعی پوسته کربنی است که از مواد مشابه مداد استفاده می کند، اما برای چسباندن گرافیت به پوسته ها زمان زیادی صرف می شود. گرافن به دلیل عملکرد عالی در بسیاری از موارد مورد ستایش است و باتری ها یکی از آنها هستند.

برخی از شرکت‌ها روی باتری‌های گرافنی کار می‌کنند که می‌توانند در عرض چند دقیقه به طور کامل شارژ شوند و ۳۳ برابر سریع‌تر از باتری‌های لیتیوم یون تخلیه شوند. این برای خودروهای برقی ارزش زیادی دارد.
باتری فوم
در حال حاضر باتری های سنتی دو بعدی هستند. آنها یا مانند یک باتری لیتیومی روی هم چیده می شوند یا مانند یک باتری معمولی AA یا لیتیوم یون جمع شده اند.
باتری فوم یک مفهوم جدید است که شامل حرکت بار الکتریکی در فضای سه بعدی است.
این ساختار سه بعدی می تواند زمان شارژ را تسریع کند و چگالی انرژی را افزایش دهد، اینها ویژگی های بسیار مهم باتری هستند. در مقایسه با بیشتر باتری‌های دیگر، باتری‌های فوم الکترولیت مایع مضری ندارند.
باتری های فوم از الکترولیت های جامد به جای الکترولیت های مایع استفاده می کنند. این الکترولیت نه تنها یون های لیتیوم را هدایت می کند، بلکه سایر وسایل الکترونیکی را نیز عایق می کند.

آندی که بار منفی باتری را نگه می دارد از مس فوم ساخته شده و با مواد فعال مورد نیاز پوشیده شده است.
سپس یک الکترولیت جامد در اطراف آند اعمال می شود.
در نهایت، یک خمیر به اصطلاح مثبت برای پر کردن شکاف های داخل باتری استفاده می شود.
باتری اکسید آلومینیوم

این باتری ها یکی از بزرگترین چگالی انرژی را در بین هر باتری دارند. انرژی آن قوی تر و سبک تر از باتری های لیتیوم یون فعلی است. برخی افراد ادعا می کنند که این باتری ها می توانند 2000 کیلومتر وسایل نقلیه الکتریکی را تامین کنند. این مفهوم چیست؟ برای مرجع، حداکثر برد کروز تسلا حدود 600 کیلومتر است.
مشکل این باتری ها این است که شارژ نمی شوند. آنها هیدروکسید آلومینیوم تولید می کنند و انرژی را از طریق واکنش آلومینیوم و اکسیژن در یک الکترولیت مبتنی بر آب آزاد می کنند. استفاده از باتری ها باعث مصرف آلومینیوم به عنوان آند می شود.
باتری سدیم
در حال حاضر دانشمندان ژاپنی در حال کار بر روی ساخت باتری هایی هستند که به جای لیتیوم از سدیم استفاده می کنند.
این امر مخرب خواهد بود، زیرا باتری های سدیمی از نظر تئوری 7 برابر کارآمدتر از باتری های لیتیومی هستند. مزیت بزرگ دیگر این است که سدیم در مقایسه با لیتیوم که عنصر کمیاب است، ششمین عنصر غنی در ذخایر زمین است.