كاپنا

فناوري هاي گوشي هاي هوشمند به سرعت در حال پيشرفت هستند، اما سرعت پيشرفت باتري ها اين گونه نيست. توسعه باتري هاي ليتيوم-يوني و ليتيوم-پليمري با محدوديت هاي فيزيكي مواجه شده است و احتمالاً پيشرفت بسيار كندي خواهند داشت. اما باتري حالت جامد مي تواند راه حلي براي حل مشكل ماندگاري باتري و پيشرفت كند تكنولوژي هاي مربوط به باتري باشد.

باتري حالت جامد چيست؟

در طراحي باتري هاي كنوني كه بيشتر ليتيوم-يوني هستند، از دو الكترود فلزي استفاده شده است كه در درون مايع نمك ليتيوم به عنوان الكتروليت قرار دارند. ذرات يوني در طول شارژ شدن باتري از يك الكترود (كاتد) به سمت الكترود ديگر (آند) حركت مي كنند، و هنگامي كه باتري مصرف مي شود در جهت عكس حركت مي كنند. الكتروليت مايع حاوي نمك ليتيوم محيطي است كه يون ها در درون آن حركت مي كنند. در باتري هاي اسيدي اتومبيل، اسيد نقش الكتروليت را ايفا مي كند.

در يك باتري حالت جامد، الكترود هاي مثبت و منفي و الكتروليت بين آن ها از فلزات جامد تشكيل شده اند، و برخي از آن ها از مواد مصنوعي ساخته شده اند. كلمه Solid-State ممكن است هاردهاي SSD يا Solid State Drive را به ياد ما بياورند، و اين شباهت اسامي اتفاقي نيست. هارد هاي SSD از حافظه هاي نوع فلش استفاده مي كنند كه حركت نمي كنند ( برخلاف هاردهاي معمولي كه داراي حركت هستند و از ديسك هاي مغناطيسي گردان استفاده مي كنند).

ايده استفاده از باتري حالت جامد به دهه ها قبل باز مي گردد و پيشرفت هايي در اين زمينه انجام شده است. شركت هاي الكترونيكي و توليد كننده هاي اتومبيل در حال توسعه اين تكنولوژي هستند.

باتري هاي حالت جامد چه مزيت هايي دارند؟

باتري هاي حالت جامد داراي چند برتري واضح نسبت به باتري هاي پر شده از مايعات دارند. از جمله اين مزايا مي توان به موارد زير اشاره كرد:

عمر و ظرفيت بيشتر باتري

زمان شارژ كمتر

امنيت بيشتر

باتري هاي حالت جامد آند، كاتد و الكتروليت را به چند لايه مسطح تبديل كرده اند و بر خلاف نسل قبلي، الكترودها درون يك الكتروليت مايع قرار نگرفته اند. بنابراين شما مي توانيد آن ها را كوچك تر كنيد در حالي كه انرژي بيشتري از باتري هاي معمولي توليد مي كنند. پس اگر شما باتري معمولي گوشي و يا لپ تاپ خود را با يك باتري حالت جامد با همان اندازه جايگزين كنيد، مي توانيد از شارژ بسيار بهتري بهره مند شويد. به عبارت ديگر مي توان دستگاه هايي توليد كرد كه همان شارژ باتري هاي معمولي را دريافت مي كنند اما به مراتب كوچك تر و باريك تر هستند.

معايب باتري حالت جامد

باتري هاي حالت جامد همچنين امنيت بيشتري دارند چرا كه از مواد سمي و آتش زا در آن ها استفاده نمي شود و به اندازه باتري هاي معمولي هم گرما توليد نمي كنند. با ورود اين باتري ها ديگر شاهد منفجر شدن و آتش گرفتن باري ها نخواهيم بود.

اين باتري هاي مي توانند بسيار سريع شارژ شوند زيرا يون ها يا الكترون ها مي توانند بسيار سريعتر بين كاتد و آند جابجا شوند. بر اساس پژوهش هايي كه به تازگي انجام شده است، باتري هاي حالت جامد از لحاظ ظرفيت ۵۰۰ بار از باتري هاي معمولي بهتر عمل مي كنند. سرعت شارژ اين باتري ها ۱۰ برابر باتري هاي معمولي است.

معايب باتري هاي حالت جامد:

به دليل اينكه باتري هاي حالت جامد يك تكنولوژي نوظهور هستند، هزينه توليد آن ها به طرزي باورنكردني زياد است. تا امروز اين نوع باتري ها در هيچ دستگاه الكترونيكي كه به صورت انبوه توليد شده باشد، به كار گرفته نشده اند. در تحقيقي كه در سال ۲۰۱۲ انجام شده بود، قيمت توليد يك باتري حالت جامد مناسب يك گوشي هوشمند، ۱۵۰۰ دلار تخمين زده شد. بنابراين اگر بخواهيم يك باتري خودروي حالت جامد بسازيم بايد ۱۰۰,۰۰۰ دلار هزينه كنيم.

بخشي از اين مشكل به دليل نبود خطوط توليد انبوه باتري هاي حال جامد است. تنها چند شركت و دانشكاه محدود در اين زمينه تحقيق مي كنند، بنابراين هزينه توليد يك باتري حالت جامد نجومي است.

مشكل ديگر مواد تشكيل دهنده اين باتري ها هستند. با اين كه ويژگي هاي فلزات، آلياژها و نمك هاي فلزي مورد استفاده در باتري هاي كنوني كاملاً براي ما شناخته شده است، در مورد باتري هاي حالت جامد چنين نيست. در حال حاضر ما نمي دانيم كه بهترين تركيب شميايي براي الكتروليت بين آند و كاتد چيست. تحقيقاتي در حال انجام است اما اطلاعات بيشتري براي ساخت موادي مناسب نياز است. موادي كه هم ارزان باشند و هم ساخت آن ها آسان و سريع باشد.

كي مي توانيم از باتري هاي حالت جامد در سطح وسيع استفاده كنيم؟

هيچ زمان دقيقي نمي توان براي عرضه عمومي اين نوع باتري ها مشخص كرد، تنها مي توان حدس هايي در اين مورد زد. با اين كه كمپاني هاي زيادي در حال سرمايه گزاري براي توليد باتري هاي حالت جامد هستند، اما در آينده اي نزديك شاهد ورود اين تكنولوژي به صورت توليد انبوه به بازارها نخواهيم بود. تنها يك كمپاني خودروساز به نام فيسكر ادعا كرده است كه خودروي برقي خود را تا سال ۲۰۲۳ با اين تكنولوژي عرضه خواهد كرد. اين خودرو بنابر ادعاي فيسكر در يك دقيقه شارژ خواهد شد و با يك بار شارژ ۵۰۰ مايل حركت خواهد كرد. به نظر مي رسد اين خودرو در صورت عرضه قيمت بسيار بالايي خواهد داشت. ممكن است تا ۲۰ سال ديگر هم شاهد عرضه انبوه اين نوع باتري نباشيم. زماني كه مواد مناسب ساخته شده باشند و فرآيند ساخت ارزان آن ها طراحي شده باشد.

همان طور كه گفتيم تكنولوژي كنوني توليد باتري به درهاي بسته خورده است و توسعه يك تكنولوژي جديد براي توليد باتري الزامي به نظر مي رسد. اما يك احتمال خيلي خيلي ضعيف هم وجود دارد كه بتوانيم به زودي از باتري حالت جامد استفاده كنيم.

فناوري هاي گوشي هاي هوشمند به سرعت در حال پيشرفت هستند، اما سرعت پيشرفت باتري ها اين گونه نيست. توسعه باتري هاي ليتيوم-يوني و ليتيوم-پليمري با محدوديت هاي فيزيكي مواجه شده است و احتمالاً پيشرفت بسيار كندي خواهند داشت. اما باتري حالت جامد مي تواند راه حلي براي حل مشكل ماندگاري باتري و پيشرفت كند تكنولوژي هاي مربوط به باتري باشد.

باتري حالت جامد چيست؟

در طراحي باتري هاي كنوني كه بيشتر ليتيوم-يوني هستند، از دو الكترود فلزي استفاده شده است كه در درون مايع نمك ليتيوم به عنوان الكتروليت قرار دارند. ذرات يوني در طول شارژ شدن باتري از يك الكترود (كاتد) به سمت الكترود ديگر (آند) حركت مي كنند، و هنگامي كه باتري مصرف مي شود در جهت عكس حركت مي كنند. الكتروليت مايع حاوي نمك ليتيوم محيطي است كه يون ها در درون آن حركت مي كنند. در باتري هاي اسيدي اتومبيل، اسيد نقش الكتروليت را ايفا مي كند.

در يك باتري حالت جامد، الكترود هاي مثبت و منفي و الكتروليت بين آن ها از فلزات جامد تشكيل شده اند، و برخي از آن ها از مواد مصنوعي ساخته شده اند. كلمه Solid-State ممكن است هاردهاي SSD يا Solid State Drive را به ياد ما بياورند، و اين شباهت اسامي اتفاقي نيست. هارد هاي SSD از حافظه هاي نوع فلش استفاده مي كنند كه حركت نمي كنند ( برخلاف هاردهاي معمولي كه داراي حركت هستند و از ديسك هاي مغناطيسي گردان استفاده مي كنند).

ايده استفاده از باتري حالت جامد به دهه ها قبل باز مي گردد و پيشرفت هايي در اين زمينه انجام شده است. شركت هاي الكترونيكي و توليد كننده هاي اتومبيل در حال توسعه اين تكنولوژي هستند.

باتري هاي حالت جامد چه مزيت هايي دارند؟

باتري هاي حالت جامد داراي چند برتري واضح نسبت به باتري هاي پر شده از مايعات دارند. از جمله اين مزايا مي توان به موارد زير اشاره كرد:

عمر و ظرفيت بيشتر باتري

زمان شارژ كمتر

امنيت بيشتر

باتري هاي حالت جامد آند، كاتد و الكتروليت را به چند لايه مسطح تبديل كرده اند و بر خلاف نسل قبلي، الكترودها درون يك الكتروليت مايع قرار نگرفته اند. بنابراين شما مي توانيد آن ها را كوچك تر كنيد در حالي كه انرژي بيشتري از باتري هاي معمولي توليد مي كنند. پس اگر شما باتري معمولي گوشي و يا لپ تاپ خود را با يك باتري حالت جامد با همان اندازه جايگزين كنيد، مي توانيد از شارژ بسيار بهتري بهره مند شويد. به عبارت ديگر مي توان دستگاه هايي توليد كرد كه همان شارژ باتري هاي معمولي را دريافت مي كنند اما به مراتب كوچك تر و باريك تر هستند.

معايب باتري حالت جامد

باتري هاي حالت جامد همچنين امنيت بيشتري دارند چرا كه از مواد سمي و آتش زا در آن ها استفاده نمي شود و به اندازه باتري هاي معمولي هم گرما توليد نمي كنند. با ورود اين باتري ها ديگر شاهد منفجر شدن و آتش گرفتن باري ها نخواهيم بود.

اين باتري هاي مي توانند بسيار سريع شارژ شوند زيرا يون ها يا الكترون ها مي توانند بسيار سريعتر بين كاتد و آند جابجا شوند. بر اساس پژوهش هايي كه به تازگي انجام شده است، باتري هاي حالت جامد از لحاظ ظرفيت ۵۰۰ بار از باتري هاي معمولي بهتر عمل مي كنند. سرعت شارژ اين باتري ها ۱۰ برابر باتري هاي معمولي است.

معايب باتري هاي حالت جامد:

به دليل اينكه باتري هاي حالت جامد يك تكنولوژي نوظهور هستند، هزينه توليد آن ها به طرزي باورنكردني زياد است. تا امروز اين نوع باتري ها در هيچ دستگاه الكترونيكي كه به صورت انبوه توليد شده باشد، به كار گرفته نشده اند. در تحقيقي كه در سال ۲۰۱۲ انجام شده بود، قيمت توليد يك باتري حالت جامد مناسب يك گوشي هوشمند، ۱۵۰۰ دلار تخمين زده شد. بنابراين اگر بخواهيم يك باتري خودروي حالت جامد بسازيم بايد ۱۰۰,۰۰۰ دلار هزينه كنيم.

بخشي از اين مشكل به دليل نبود خطوط توليد انبوه باتري هاي حال جامد است. تنها چند شركت و دانشكاه محدود در اين زمينه تحقيق مي كنند، بنابراين هزينه توليد يك باتري حالت جامد نجومي است.

مشكل ديگر مواد تشكيل دهنده اين باتري ها هستند. با اين كه ويژگي هاي فلزات، آلياژها و نمك هاي فلزي مورد استفاده در باتري هاي كنوني كاملاً براي ما شناخته شده است، در مورد باتري هاي حالت جامد چنين نيست. در حال حاضر ما نمي دانيم كه بهترين تركيب شميايي براي الكتروليت بين آند و كاتد چيست. تحقيقاتي در حال انجام است اما اطلاعات بيشتري براي ساخت موادي مناسب نياز است. موادي كه هم ارزان باشند و هم ساخت آن ها آسان و سريع باشد.

كي مي توانيم از باتري هاي حالت جامد در سطح وسيع استفاده كنيم؟

هيچ زمان دقيقي نمي توان براي عرضه عمومي اين نوع باتري ها مشخص كرد، تنها مي توان حدس هايي در اين مورد زد. با اين كه كمپاني هاي زيادي در حال سرمايه گزاري براي توليد باتري هاي حالت جامد هستند، اما در آينده اي نزديك شاهد ورود اين تكنولوژي به صورت توليد انبوه به بازارها نخواهيم بود. تنها يك كمپاني خودروساز به نام فيسكر ادعا كرده است كه خودروي برقي خود را تا سال ۲۰۲۳ با اين تكنولوژي عرضه خواهد كرد. اين خودرو بنابر ادعاي فيسكر در يك دقيقه شارژ خواهد شد و با يك بار شارژ ۵۰۰ مايل حركت خواهد كرد. به نظر مي رسد اين خودرو در صورت عرضه قيمت بسيار بالايي خواهد داشت. ممكن است تا ۲۰ سال ديگر هم شاهد عرضه انبوه اين نوع باتري نباشيم. زماني كه مواد مناسب ساخته شده باشند و فرآيند ساخت ارزان آن ها طراحي شده باشد.

همان طور كه گفتيم تكنولوژي كنوني توليد باتري به درهاي بسته خورده است و توسعه يك تكنولوژي جديد براي توليد باتري الزامي به نظر مي رسد. اما يك احتمال خيلي خيلي ضعيف هم وجود دارد كه بتوانيم به زودي از باتري حالت جامد استفاده كنيم.