باتری‌های آلومینیومی، ظرفیت بالا، شارژدهی سریع و قیمت پایین

سه مولفه اصلی این باتری‌های جدید، آلومینیوم، گوگرد و کریستال‌های سنگ نمک هستند که به مقدار زیاد در زمین وجود دارند و برای تهیه آن‌ها نیازی به زنجیره تامین جهانی نیست. به بیان دقیق‌تر، امکان دسترسی به آن‌ها در اغلب نقاط دنیا وجود دارد. 

هنگامی که صحبت از ساخت فناوری‌های جدید به میان می‌آید، شرکت‌ها معمولا مجبور می‌شوند از میان سه ویژگی سرعت، خوب بودن و ارزان بودن، تنها دو مورد را انتخاب کنند تا محصولی سودآور را تولید کنند، اما وقتی صحبت از فناوری باتری به‌ میان می‌آید، انتخاب از میان این سه ویژگی چالش‌‌برانگیزتر می‌شود. ارزان بودن و سرعت بالای شارژ اهمیت زیادی دارد، اما «خوب بودن» می‌تواند معانی متفاوتی داشته باشد، مانند وزن کم، حجم کم یا طول عمر بیشتر بسته به نیاز تجهیزات الکترونیکی که با باتری کار می‌کنند. اگر می‌خواهید سرعت شارژ بالایی داشته باشید، احتمالا باید بخشی از ظرفیت باتری را فدای داشتن این ویژگی کنید. با این‌حال، به‌نظر می‌رسد باتری‌های آلومینیوم-گوگرد قادر هستند هر سه ویژگی را به‌شکل همزمان در اختیار ما قرار دهند. همین مسئله باعث شده تا روند تحقیقات در مورد مواد شیمیایی و باتری‌های جایگزین با این امید که بتوان از موادی که ارزان‌قیمت و باکیفیت هستند و می‌توانند با سرعت زیادی شارژ شوند، ادامه پیدا کند. 

از آن‌جایی که هر ساله، شرکت‌ها تاسیسات بزرگ‌تری برای بهرمندی از سیستم‌های انرژی بادی و خورشیدی می‌سازند، نیاز به سیستم‌های پشتیبان مقرون‌به‌صرفه در مقیاس بزرگ، زمانی که خورشید غروب کرده و هوا آرام است، به‌سرعت رو به افزایش است. باتری‌های لیتیوم-یونی

امروزی، برای این‌گونه کاربردها گران هستند و گزینه‌های دیگر مانند هیدرولیک پمپاژشده نیاز به توپوگرافی (تعیین موقعیت جغرافیایی) خاصی دارد.

محققان موسسه فناوری ماساچوست نوع جدیدی از باتری‌ها را ساخته‌اند که از مواد فراوان و ارزان ساخته شده و می‌توانند جایگزینی برای باتری‌های گران‌قیمت و پرهزینه باشند. با وجود آن که هر اتم آلومینیوم کمی سنگین‌تر از لیتیوم است، اتم‌ها و یون‌های آن از نظر فیزیکی کوچک‌تر هستند، زیرا بارالکتریکی مثبت بیشتر هسته، الکترون‌ها را کمی به سمت خود می‌کشد. همچنین، آلومینیوم به‌راحتی در ازای هر اتم، سه الکترون از خود جدا می‌کند، به این معنی که می‌تواند بار زیادی را با هر یون درگیر جابه‌جا کند.

بر اساس مقاله‌‌ای که به‌تازگی منتشر شده، این باتری‌ جدید می‌تواند علاوه ‌بر کاهش قیمت، سایر ویژگی‌ها را نیز ارتقاء دهد. مواد خام مورد نیاز برای تولید باتری‌های آلومینیوم-گوگردی ارزان هستند و این باتری‌ها نسبت به نمونه‌های لیتیومی ابعاد کوچک‌تری دارند. البته، یکی از ویژگی‌های مهم باتری‌های جدید آلومینیومی این است که می‌توان سلول‌های آن را در کمتر از یک دقیقه به‌طور کامل شارژ کرد. یکی از مشکلات بارز حال‌ حاضر این فناوری آن است که برای کار کردن نیاز به دمای ۹۰ درجه سانتی‌گراد (تقریبا نقطه جوش آب) دارد.

بر اساس مقاله‌ای که توسط دونالد سادووی، پروفسور موسسه فناوری ماساچوست، منتشر شده است، در معماری این باتری جدید از آلومینیوم و گوگرد به‌عنوان دو ماده الکترود و یک الکترولیت نمک مذاب، استفاده شده است. سادووی که پروفسور بازنشسته شیمی مواد است، در این باره می‌گوید: «قصد داشتم چیزی را اختراع کنم که در زمینه ذخیره‌سازی ساکن مقیاس کوچک بسیار بهتر از باتری‌های لیتیوم- یونی باشد و در نهایت توسط خودروهای الکتریکی قابل استفاده باشد».

برای دستابی به این هدف، او در جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی، به دنبال عنصر ارزان، فراوان و قابل دسترسی بود که بتواند به‌طور ایمن و قابل اعتمادی، جایگزین لیتیوم شود. سپس، متوجه شد که دومین فلز فراوان در بازار و البته فراوان‌ترین فلز روی زمین آلومینیوم است و به همین دلیل تصمیم گرفت تا از این ماده برای توسعه باتری خود استفاده کند.

او می‌گوید: «آهن که به‌لحاظ تجاری یک فلز رایج است، خواص الکتروشیمیایی مناسبی برای یک باتری کارآمد ندارد، اما آلومینیوم، دومین فلز فراوان در بازار و در واقع فراوان‌ترین فلز روی زمین است. حالا باید تصمیم می‌گرفتیم که به‌عنوان الکترود دوم چه چیزی را با آلومینیوم ترکیب کنیم و چه نوع الکترولیتی بین آن‌ها قرار دهیم تا یون‌ها را در هنگام شارژ و تخلیه به عقب و جلو ببرد. ارزان‌ترین نافلز، گوگرد است و به این ترتیب این ماده الکترود دوم شد. سادووی در مورد الکترولیت می‌گوید: «ما قصد نداشتیم از مایعات آلی فرار و قابل اشتعال استفاده کنیم، زیرا ممکن است در خودروها و دیگر وسایلی که از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌کنند، منجر به آتش‌سوزی‌های خطرناک شود». 

محققان برخی از پلیمرها را امتحان کردند، اما در نهایت توجه‌شان به انواع نمک‌های مذاب جلب شد که نقطه ذوب نسبتا پایینی دارند یعنی نزدیک به نقطه جوش آب دارند. او می‌گوید: «در صورتی که به دمایی نزدیک به دمای بدن برسیم، ساخت باتری‌هایی که به عایق‌بندی و اقدامات خاص ضد‌ زنگ‌زدگی نیاز ندارند، عملی می‌شود».

در نهایت این سه ماده‌ای که این باتری‌ها با آن‌ها ساخته می‌شود، ارزان و به‌راحتی در دسترس هستند. آلومینیوم که هیچ تفاوتی با فویل‌های موجود در سوپرمارکت‌ها ندارد. گوگرد اغلب محصول زائد حاصل از فرآیندهایی مانند پالایش نفت است و نمک‌ها که به‌راحتی در دسترس هستند. این مواد ارزان‌قیمت ایمن هستند و امکان سوختن ندارند.

تیم محققان در آزمایش‌های خود نشان دادند که سلول‌های باتری می‌توانند صدها چرخه را با نرخ‌های شارژ فوق‌العاده بالا تحمل کنند. همچنین، هزینه تمام‌شده برای ساخت هر سلول حدود یک ششم هزینه‌های مشابه سلول‌های لیتیوم‌یونی است. نکته قابل‌ توجه دیگر این‌که باتری جدید برای حفظ دمای عملیاتی خود به هیچ منبع حرارتی خارجی نیاز ندارد، زیرا گرمای آن به‌طور طبیعی هنگام شارژ و تخلیه شارژ باتری تولید می‌شود.

کلید دستیابی به این موفقیت بزرگ این بود که محققان موفق به ساخت یک الکترود فلزی آلومینیومی شدند. الکترودهای فلزی خالص، ساد‌گی بیشتر و حجم بالاتری ارائه می‌دهند، زیرا هیچ ماده شیمیایی واقعی در آن‌ها وجود ندارد و برای پر کردن یون‌های فلزی به مواد اضافی نیاز ندارند. اما فلز تمایل دارد به‌طور ناموزون روی الکترودهای باتری رسوب کند و در نهایت خارهایی به‌نام دندریت تولید ‌کند. این خارها در بلندمدت به سایر مولفه‌های باتری آسیب می‌زنند و باعث می‌شوند باتری‌ها با نیمی از ظرفیت خود کار کنند. بنابراین، کشف چگونگی رسوب یکنواخت فلز چالش بزرگی بود که دانشمندان باید آن‌را حل می‌کردند. 

مشکل بزرگ دیگری که وجود داشت این بود که آلومینیوم به‌لحاظ شیمیایی چندان هم فلز فوق‌العاده‌ای نیست. به‌عنوان مثال، بسیاری از ترکیبات آلومینیومی به‌‌شدت نامحلول در آب هستند و اکسیدهای آن‌ها به‌‌شدت پایدار هستند. همچنین، در برخی از مدل‌ها باتری پس از چند چرخه شارژ و تخلیه شارژ به‌راحتی خراب می‌شود. 

نکته کلیدی این است که ما از قبل می‌دانیم چگونه آلومینیوم را به‌طور یکنواخت رسوب دهیم. به بیان دقیق‌تر، ما همیشه وقتی می‌خواهیم این فلز را روی فلز دیگری آبکاری کنیم دقیقا چنین کاری را انجام می‌دهیم. این اقدام اغلب با استفاده از نمک مذاب کلرید آلومینیوم انجام می‌شود. یون‌های آلومینیوم و کلر در نمک مذاب تمایل دارند زنجیره‌های بلندی از اتم‌های متناوب را تشکیل دهند. هنگامی‌که آلومینیوم روی سطحی رسوب می‌کند، تمایل دارد از مراکز این زنجیره‌ها خارج شود. همچنین، حجم فیزیکی بقیه زنجیره انجام این کار را روی سطح صاف آسان‌تر می‌کند.

داخل نمک مذاب، یون‌های آلومینیوم می‌توانند به‌‌سرعت از یک الکترود به الکترود دیگر حرکت کنند. مشکل اصلی این است که آلومینیوم فقط در دمای 192 درجه‌ی سانتی‌گراد ذوب می‌شود. با این‌حال، مخلوط کردن مقداری کلرید سدیم و کلرید پتاسیم این دما را به 90 درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش می‌دهد که کمی زیر نقطه‌ جوش آب است و با طیف وسیع‌تری از مواد اضافه سازگاری دارد. 

سادووی می‌گوید: «نمک کلروآلومینات، ضمن عقب راندن دندریت‌ها، امکان شارژ بسیار سریع را به‌وجود می‌آورد. ما آزمایش‌هایی را با نرخ‌های شارژ بسیار بالا انجام دادیم و مشاهده کردیم که سلول‌ها در کمتر از یک دقیقه شارژ می‌شوند. همچنین، مشاهده کردیم که هیچ سلولی را به‌دلیل دندریت از دست ندادیم».

تصویربرداری از آلومینیوم نشان داد که پس از چند چرخه‌ شارژ، تخلیه تا حدودی مسدود شده بود، اما هیچ دندریتی کوچک یا بزرگی مشاهده نشد که بتواند به باتری آسیب برساند. به‌طور کلی، سلول عملکرد پایداری را در ده‌ها چرخه‌ و نوع ظرفیت بالایی در هر وزن که آلومینیوم باید ارائه کند، نشان داد. بنابراین تیم به ساخت و آزمایش سلول‌هایی که واقعا به آن‌ها علاقه داشت روی آورد و آن ترکیب آلومینیوم و گوگرد بود.

سلول‌های گوگرد-آلومینیومی با سرعت بسیار آهسته‌ تخلیه می‌شوند و ظرفیت شارژ آن‌ها به ‌ازای هر وزن، بیش از سه‌ برابر باتری‌های لیتیوم-یونی بود. این رقم با افزایش نرخ، شارژ و تخلیه کاهش می‌یابد، اما عملکرد آن بدون تغییر و در سطح عالی باقی می‌ماند. اگر سلول در مدت بیش‌ از دو ساعت تخلیه و تنها در 6 دقیقه شارژ شود، بازهم ظرفیت آن به ‌ازای هر وزن، 25 درصد بیشتر از باتری‌های لیتیوم-یونی کنونی است. این ظرفیت تقریبا بعد از 500 چرخه حفظ خواهد شد که بسیار فراتر از نمونه‌های لیتیومی است.

اگر زمان شارژ را به کمی بیش از یک دقیقه کاهش دهید، ظرفیت به ازای وزن تقریبا برابر با یک باتری لیتیوم-یونی می‌شود و بیش از 80 درصد این ظرفیت پس از 200 چرخه همچنان در دسترس خواهد بود. سلول باتری می‌تواند شارژ کامل را در کمتر از 20 ثانیه تحمل کند، اگرچه ظرفیت به ازای وزن تنها کمی بیش از نصف مقداری است که از سلول‌های باتریی لیتیوم-‌یونی دریافت می‌شود.

 این باترهای جدید می‌توانند انرژی لازم برای یک خانه یا کسب‌وکارهای کوچک تا متوسط با ظرفیت ذخیره‌سازی چند ده کیلووات ساعت را تامین می‌کنند. برای مقیاس‌های بزرگ‌تر از ده‌ها تا صدها مگاوات ساعت، فناوری‌های دیگر ممکن است موثرتر باشند، از جمله باتری‌های فلزی مایع که سادووی و شاگردانش چند سال قبل توسعه دادند و شرکتی به‌نام Ambri را تاسیس کردند که قرار است اولین محصولش اواخر سال 2023 میلادی به بازار عرضه شود. 

به‌گفته سادووی، باتری‌های آلومینیوم-گوگردی به‌دلیل اندازه کوچک‌تری که در مقایسه با نمونه‌های مشابه دارند، قابل استفاده در مکان‌هایی مثل ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی هستند. زمانی که تعداد وسایل نقلیه الکتریکی در جاده‌ها زیاد شود، به‌طور حتم چند خودرو به‌صورت همزمان به شارژ نیاز پیدا می‌کنند، درست مشابهی چیزی که در پمپ‌های بنزین مشاهده می‌کنید. اگر این باتری‌ها به تولید انبوه و تجاری برسند، فرآیند شارژ به میزان قابل توجهی سریع می‌شود. بنابراین داشتن یک سیستم باتری مانند نمونه یادشده که قادر باشد در زمان کوتاهی انرژی را ذخیره‌سازی و در کمترین زمان آزاد کند نیاز به نصب خطوط برق جدید و گران‌قیمت برای خدمت‌رسانی به خودروهای الکتریکی را برطرف می‌کند.

آیا امکان ساطع شدن بوی نامطبوع در باتری‌های گوگردی وجود دارد؟ 

در این باتری‌ها از عنصر گوگرد استفاده می‌شود که داخل سلول‌ها محصور است. اگر بخواهید یک سلول را در آشپزخانه باز کنیم، این ترکیب با رطوبت هوا واکنش نشان داده و بوی نامطبوعی تولید می‌کند. اما باتری مهر و‌ موم شده است و محفظه آن باز نیست و به‌راحتی باز نمی‌شود. در مجموع باید به این نکته اشاره داشته باشیم که فناوری جدید می‌تواند به ‌ما اجازه دهد سریعا به استفاده از آن روی آوریم و در واقع آن را جایگزین نسل کنونی باتری‌ها بدانیم. در حالی‌که شرکت Ambri برای تجاری‌سازی این فناوری راه‌اندازی شده‌ است، اما زیرساخت‌های بسیار عظیمی برای تولید باتری‌های لیتیوم-یونی وجود دارد و فناوری آن‌ها نیز دائما در حال بهبود است که به‌عنوان یک رقیب جدی ممکن است مانع پذیرش گسترده این فناوری جدید شوند. به ‌هرحال اگر منابع مواد خام برای باتری‌های کنونی محدود شود، دسترسی به فناوری مبتنی‌ بر مواد شیمیایی که به ‌میزان فراوان در دسترس قرار دارند، می‌تواند بسیار مفید واقع شود.