آینده باتری لیتیوم یون برقی ۱۶ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی

آینده باتری لیتیوم یون برقی ۱۶ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم – یون

شیمی، اجزا، انواع و اصطلاحات

فصل ۱۶: آینده باتری های لیتیوم یون و برقی کردن

اخیر فردی این سوال را مطرح نمود که در مورد باتری های موجود در سال ۲۰۳۰ چه نظری دارم و چگونه این باتری ها کار می کند. این پرسش با توجه به تفکر بیشتر در این زمینه بعنوان یک ویژگی قابل توجه بشمار می آید. سوال مورد نظر تنها پرسش در مورد نحوه تکامل فن آوری یا شیمی رایج نیست، بلکه عواملی نظیر رشد جمعیت، ظهور کلان شهرها و تغییر روندهای نسلی، که باید برای یک آینده نگری در خصوص باتری در نظر گیریم، نیز شامل این مبحث می شوند.  تنها چیزی که می توانم از آن کاملاَ مطمئن باشم این است که باتری های فردا همانند باتری هایی که امروز استفاده می کنیم نخواهند بود.

روندهای عمده

اولین سوالی که باید مطرح شود این است که جامعه آینده چطور است و چگونه بر تفاوت های منطقه ای و قانونی نوظهور و عامل تکامل فن آوری اثر می گذارد ؟ در اوایل سده ۲۰۰۰، دولت ها را در اروپا، ژاپن و امریکا و بسیاری از دولت های دیگر را مشاهده کردیم که تغییرات بزرگی را در اقتصاد سوخت خود و مقررات CO2 ایجاد کردند که یک گام به سمت خودروهای با مصرف سوخت بهینه تر می باشد. این تحول در واقع فرایندی است که در اوایل دهه ۱۹۷۰ شروع شد اما حداقل در ایالات متحده متوقف شد. لیکن با رشد مداوم جمعیت جهان از حدود ۳ میلیارد نفر در سال ۱۹۶۰ به ۷ میلیارد نفر در سال ۲۰۱۴ و با پیش بینی ۸ تا ۱۰ میلیارد نفری طی دهه ۲۰۴۰-۲۰۵۰ تقاضا برای راه حل های انرژی نو و پاک به رشد خود ادامه می دهد. عامل دیگری که باید در نظر گیریم این است که کجا رشد جمعیت متمرکز شده است و از تمامی پیش بینی های کنونی بخشی از این رشد در شهرهای بزرگ خواهد بود. بنابراین با تداوم رشد جمعیت جهان، اگرچه نرخ آن در چند دهه گذشته کمی کمتر شده اس و با یکپارچه شدن این رشد با شهرها و ظهور کلان شهرها با جمعیت بیشتر از ۲۰ میلیون نفر، فن آوری باتری لیتیوم یون باید برای همگام شدن با این روند رشد به تکامل خود ادامه دهد.

مقدار و تمرکز این رشد جمعیت تغییرات عمده ای را در بسیاری از فن آوری برای مدیریت منابع طبیعی و تأثیر آن روی تولید و خروج گازهای گلخانه ای و آلودگی ایجاد می کند. برای مثال عملکردهای عمومی نظیر پست های برق از لحاظ تاریخی متمرکز بوده اند اما به صورت سیستم های ذخیره سازی و تولید توزیع شده تر تکامل خواهند یافت. امروزه برق در نیروگاه های احتراقی، هسته ای و هیدروالکتریک تولید شده و در کل شبکه برای مشتریان توزیع شده است. اما در آینده، ممکن است این احتمال بیشتر باشد که برق بطور محلی تولید و ذخیره شود. ممکن است سقف های پوشیده شده در پانل های خورشیدی، توربین های بادی واقع در مناطق عمومی را با استفاده از حافظه باتری مستقر در خانوارها و مکان های توزیع شده در تمامی کلان شهرها را شاهد باشیم.

حمل و نقل از این دوره گذار فن آوری بی نصب نمی ماند. یک روند در حال رشد و خیلی جالب با نسل کنونی افراد جوان این است که جوانان کمتری آرزوی خودرو دار شدن را دارند. در عوض بسیاری از جوانان بدنبال استفاده از خدمات اشتراک گذاری خودرو و زندگی در مناطقی با حمل و نقل عمومی هستند. بجای پرداخت هزینه یک خودرو برای نشستن در روز و شب در داخل آن، آنها تنها زمانی که به خودرو نیاز دارند هزینه آنرا پرداخت می کنند. در مکان هایی نظیر ژاپن یک تحول عمده در نحوه برداشت مشتریان نسبت به استفاده از خودروی شخصی ایجاد شده است . بقیه دنیا ممکن است بخواهد به روندهای ژاپن توجه کند چون این کشور تاحدوی روندهای جمعیتی بهتری را نسبت کل دنیا ندارد. چون نرخ رشد جمعیت ژاپن کاهش یافته و در واقع معکوس شده است، با پیر شدن جمعیت در شهرهای پرجمعیت مواجه هستند و بدنبال راه حل هایی هستند که نیاز این گروه را مرتفع سازند. و البته نمی توانیم رشد بازارهای چین و هند را نادیده بگیریم، که در آن مالکیت خودرو به عنوان یک نماد جایگاه طبقاتی شناخته شده است و با رشد عمده خودروی شخصی مواجه شده است. اما این افزایش تقاضای خودرو در کلان شهرها با رشد میزان آلودگی و فقدان فضای پارکنیگ همراه شده است. برداشت نهایی در مورد تکامل روی داده در بخش حمل و نقل در معرفی آینده وسایل نقلیه مستقل می باشد. همان طور که بیشتر این خودروها معرفی شده اند به تغییرات در فن آوری منجر می شوند.

آینده باتری لیتیوم یون برقی ۱۶ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی

روندهای تکنولوژیکی

متأسفانه، قانون مور در مورد اثر باتری ها نمی باشد. قانون مور که توسط گوردون مور یکی از بنیانگذارن شرکت اینتل معرفی شد، به سال ۱۹۶۵ برمی گردد که در آن اظهار شد مقدار ترانزیستورهای روی یک مدار یکپارچه در هر دو سال دو برابر خواهد شد. این تغییر برای مدارهای یکپارچه بصورت خیلی دقیق ثابت شد، اما متاسفانه نمی تواند برای باتری ها اعمال شود. اگر به معرفی سل لیتیوم یون بازار انبوه در سال ۱۹۹۱ برگردیم ظرفیت باتری در آن زمانی تنها حدود ۵-۶ درصد در هر سال بهبود می یافت. اما فن آوری باتری در هر سال رشد دوبرابر ظرفیت را نداشت و در واقع از زمانی که اولین باتری های تجاری در سال ۱۸۵۴ به باز ار عرضه شدند تنها حدود یک هشتم رشد ظرفیت را به همراه داشت.

برمی گردیم به سوال اولیه این فصل « باتری سال ۲۰۳۰ چگونه به نظر می رسد » بنابراین چگونه فن آوری باتری کنونی برای رفع نیازهای در حال رشد تکامل می یابد؟ آیا واقعا یک تغییر قاعده بازی وجود دارد یا فن آوری مخل ؟

متاسفانه، ما استفاده از عبارت فن آوری مخل را خیلی وقت پیش شروع کردیم و به بهبودهایی اشاره می کند که در واقع نه تنها حداقل مزاحمت را دارند بلکه در واقع تنها ماهیتی تکاملی دارند. اجازه دهید یک دقیقه در مورد عبارت فن آوری مخل فکر کنیم و این که واقعاَ به چه معناست. چه زمانی که از لحاظ تکنولوژیکی مخل است ؟ یک اختلال تکنولوژیکی زمانی روی می دهد که برخی فن آوری ها بطور کامل شیوه کنونی انجام کار را تغییر دهند. معرفی خودرو برای اسب و واگن کاملا ویران کننده بود و در نهایت کاملاَ جای آنها را گرفت. با معرفی کامپیوتر شخصی، این فن آوری در عرض چند سال، تقریبا بطور کامل جایگزین ماشین تحریر شد. تلفن جایگزین تلگراف شد و تلفن همراه تقریبا جای تلفن را در عرض چند سال گرفت. بنابراین با این تعریف یک فن آوری زمانی مخل است که جایگزین اسلاف خود شود یا آنها را بهبود بخشد، پس آیا لیتیوم یون یک فن آوری مخل است ؟ در واقع نه، این فن آوری جای باتری اسید سرب را نگرفته و حداقل تا زمانی نگارش این کتاب جای موتور را نگرفته است. اما آیا یک فن آوری مکمل است ؟ مسلماَ بله، چون پیشرفته ای مهم را برای نمونه های کنونی راه حل های برقی در پی داشته است.

دو چیزی که می توانند لیتیوم یون را به یک مخل واقعی تبدیل کنند : چگالی انرژی و چگالی توان هستند. فن آوری باتری لیتیوم یون امروزه تنها حدود یک دهم انرژی گازوئیل یا سوخت دیزل را عرضه می کنند. این بدان معناست که با مواد شیمیایی کنونی شما نمی توانید به یک راه حل شبه باتری که بتواند دامنه توان مشابه با موتور گازی را فضای مشابه عرضه کند دست یابد. اما آیا این وضعیت می تواند تغییر کند؟ داستان چگالی توان نیز همانند چگالی انرژی است. برای جایگزین شدن به جای یک موتور گازی فن آوری باتری باید خیلی کوچک تر شود( کم حجم تر) در عین حال انرژی و توان آن به اندازه ای افزایش یابد که با خودروی سوخت مایع همتراز شود.

اما بعد دیگری که باید به آن توجه کنیم هزینه است. حتی اگر فردی فن آوری را اختراع کند که بتواند مقدار انرژی مشابه با یک خودروی سوخت مایع را ارائه کند، اگر هزینه آن در رابطه با آن کاهش نیابد یک راه حل عملی نخواهد بود و به تولید انبوه نخواهد رسید. احتمالا پیشرفت های هزینه را با توجه به برخی سطوح استانداردسازی و رشد حجمی صنعتی شاهد خواهیم بود . ما بطور مختصر استانداردسازی را در فصل ۷ بحث کردیم اما همان طور که به آینده نگاه می کنیم و آنچه ممکن است مستلزم آن باشد درمی یابیم که برخی سطوح استانداردسازی بطور قطع مزایایی را برای ساختار هزینه درپی خواهند داشت. اما همچنین باید انعطاف پذیری کافی را برای سطوح ادامه دار بهبود فن آوری داشته باشند و استانداردهای رشد فن آوری همگان با آن باید تکامل یابد.

از یک دیدگاه خودروسازی، زمانی که یک فن آوری برای یک خودرو مهندسی شده است احتمال دارد ۵ تا ۱۰ سال پابرجا باشد که تقریبا برابر با طول عمر یک معماری خودروی استاندارد است. این بدان معناست که خودروهای برقی که امروزه به بازار معرفی می شوند در واقع با استفاده از باتری هایی طراحی شده اند که به روز رسانی شده باتری های سه تا پنج سال قبل می باشند. بنابراین در اواخر سال ۲۰۱۴ که زمان نگارش این کتاب می باشد، باتری هایی برای خودروها طراحی شده اند که تا سال ۲۰۱۹ یا ۲۰۲۰ در بازار موجود نخواهند بود.

صنعت شارژ همراه نیز به ارائه نوآوری و حتی پذیرش اولیه برخی فن آوری های باتری کمک می کند به همان صورت کوچک تر شدن و باریک تر شدن قطعات الکترونیکی و حتی کاهش دوام آنها را مشاهده می کنیم. فن آوری باتری باید با این تغییرات تکامل یابد.

آینده باتری لیتیوم یون برقی ۱۶ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی

روندهای آینده در فن آوری باتری

بنابراین چه اتفاقی می تواند برای باتری روی دهد که لیتیوم یون را به یک مختل کننده واقعی تبدیل کند؟ ماده شیمیایی باتری بطور شکل به تکامل خود ادامه می دهد، اما آیا واقعا مختل کننده می شود؟ اظهارنظر در این مورد دشوار است، لیتیوم یکی از بزرگترین موافد در جدول دوره ای است بنابرین فرصت زیادی برای تداوم انجام کار در خارج از یک فن آوری مبتنی بر لیتیوم وجود ندارد. بنابراین شاید اختلال توسط لیتیوم ایجاد نشود، اما از مواد دیگر حاصل می شود.

اساساَ سه بخش مختلف از باتری لیتیوم یون سنتی وجود دارند که به بهبود خود ادامه می دهند: آند، کاتد و الکترولیت ها . با کار روی این عناصر، محققان ولتاژ عملیاتی قابل استفاده را برای سل های لیتیوم یوم وچگالی انرژی را بهبود بخشیده و ایمنی و طول عمر سل ها را افزایش می دهند.

ابتدا به آندها نگاه می کنیم: مواد سیلیکون و آند در چند سال گذشته به شدت مورد توجه قرار گرفته اند. این امر بخاطر بهبود چگالی انرژی نظری است که می تواند با استفاده از سیلیکون یا آندهای قلع در دامنه ۳۰۰ درصد یا بیشتر حاصل شود و افزایش چگالی انرژی به صورت عملی غالبا حدود یک سوم مقدار نظری است. این فرایند با لیتیوم یون در دامنه رقابت پذیری با سوخت های مایع شروع می شود. با این حال،هر دو ماده بخاطر مقدار زیاد انبساطی که در طی سیکل شارژ و دشارژ منظم پیش می آیند که در دامنه ۳۰۰ درصد است با چرخه زندگی کوتاه مدت مواجه هستند.اما این بدان معنا نیست که ما باید آنرا محاسبه کنیم. جزئیات کاری زیادی نظیر جستجوی نانومواد، پوشش سیلیکون یا قطع گرافیت، گرافن یا مواد دیگر و همچنین روش های جدید برای تولید وجود دارند که ممکن است پیشرفت های مهمی را در توانایی این مواد شیمیای برای بازار انبوه ارائه کند. ما مشاهده برخی از این مواد شیمیایی نوظهور در صنعت برق همراه را مشاهده می کنیم ،همان طور که ماتجهیزات الکترونیکی کوچک تر و نازک تر و حتی ظریف تر را مشاهده می کنیم. این تجهیزات نیازهای طول عمر خیلی کوتاه تری را نسبت به تجهیزات ذخیره سازی انرژی ثابت و حمل و نقل دارند و بنابراین زمینه خوبی را برای رشد و تست دارند. بنابراین این فن آوری آند به تکامل خود ادامه می دهد و در نهایت برخی از آنها جایگزین مواد آند گرافیتی کنونی می شوند.

مواد کاتد نیز برخی پیشرفت های تکاملی را داشته اند. برخی از این پیشرفت ها از ترکیب مواد شیمیایی مختلف برای دست یابی به بهترین بخش ها از هر دو حاصل شده اند. اما فرصت ناچیزی برای برداشتن گام های بلند برمبنای مواد شیمیایی کنونی وجود دارد.

الکترولیت ها و جداکننده ها نیز تغییرات تکاملی دارند. الکترولیت ها مورد کلیدی برای افزایش ولتاژهای عملیاتی سل های لیتیوم یون می باشند و با اضافه کردن مواد افزودنی مختلف به الکترولیت های پایه به رشد خود ادامه می دهند. همچنین کار زیادی برای بررسی استفاده از الکترولیت ها آلی وجود دارد. الکترولیت های آلی ممکن است سریع تر از فن آوری های کنونی به پایان برسند. تفکیک کننده ها نیز مورد توجه قرار گرفته اند، اما عمدتا بر بهبود ایمنی سل ها تاکید شده است. بسیاری از تولیدکنندگان سل هم اکنون به سمت استفاده از یک جداکننده پوشش سرامیک گام برمی دارند چون حساسیت کمتری را در برابر تست نفوذ داشته و می تواند بطور کارآمد در دماهای خیلی بالاتر از دماهای جداکننده های معمولی پلی اتیلن یا پلی پروپلین کار کند.

پس دیگر انواع پیشرفت هایی که می توانیم مشاهده کنیم و ممکن است برخی فرصت های تحول واقعی را برای باتری های لیتیوم یون ایجاد کند چیستند؟ شاید یکی از جالب ترین فن آوری های جدید که در حال پیشرفت است باتری حالت جامد است. یک باتری حالت جامد باتری است که بطور ساده از یک الکترولیت مایع استفاده نمی کند. بجای آن ماده کاتد در یک بستر با استفاده از یک روش رسوب ساخته شده است. سپس ماده جدا کننده براین اساس ایجاد می شود که از یک روش ته نشینی استفاده می کند. مزیت واقعی باتری های حالت جامد بهبود چگالی انرژی است که با ته نشینی مستقیم یک ماده روی ماده دیگر در مقایسه با لیتیوم یون سنتی حاصل می شود ه با فضاهای بین کاتد، جداکننده و آند به پایان می رسد. و بدون الکترولیت مایع سلامتی باتری حالت جامد بطور قابل توجه ای بهبود یافته است. تا به امروز بیشتر باتری های لیتیوم یون جامد خیلی کوچک بودند و در دامنه میلی آمپر جای گرفتند. اما اگر تولبیدکنندگان قادر باشند با موفقیت این سل ها را سایزبندی کنند ممکن است برای استفاده از تجهیزات بزرگتر رقابتی تر باشند.

آینده باتری لیتیوم یون برقی ۱۶ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی

نتیجه گیری

پیشرفت های کوتاه مدت بالقوه متعددی وجود دارند که در زمینه باتری های لیتیوم یون روی دادند و بهبودهای قابل توجه ای را در سل های کنونی به بار آوردند. سل هایی که در سال ۲۰۳۰ عرضه خواهند شد احتمالا تا سال ۲۰۲۵ یا چند سال قبل تر بخاطر تجهیزات حجیم ارزش چندانی نداشتند .هزینه ها با افزایش حجم کاهش می یابند و برخی از این پیشرفت های فن آوری افزایشی که ذکر کردم نز به کاهش هزینه ها کمک می کنند. و اگر کار را درست انجام دهیم نسل  بعدی فن آوری ها ممکن است در قالب عواملی بروز کنند که امروزه برای سهولت گذار از یک فن آوری به فن آوری دیگر بکار می گیریم. اما معتقدم که دست یابی به برخی اهداف هزینه که توسط گروه هایی نظیر U.S. DOE  و USABC of $100–$۱۵۰/kWh. تدوین می شود مشکل است. با سل های ۱۸۶۵۰ امروزه در هر سال تقریبا ۷۰۰ میلیون واحد سل تولید می شود و قیمت های آنها در رنج $۱۷۰–$۲۲۰/kWh قرار دارند که برای این سل های فرمت بزرگتر جهت رسیدن به سطوح مشابه چه فرایندی را طی می کنند؟ بخاطر اندازه سل هایی که حتمالا به سطوح مشابه حجم نمی رسند، باید یک تغییر فن آوری روی دهد تا هزینه ها کاهش یابند. این مورد احتمالا به این معناست که یکی از این موارد در این جا بحث شده اند.