400 درصد بهبود ظرفیت با باتری لیتیوم هوا؛ راهکار یک دانشمند ایرانی برای صنعت خودروسازی

آینده خودروهای برقی تا حد زیادی به سرعت پیشرفت توسعه باتری‌های لیتیوم یونی بستگی دارد. اما تحقیقات جدید در مورد باتری لیتیوم هوا ممکن است آن‌ها را به‌طور کلی منسوخ کند. دانشمندان مؤسسه فناوری ایلینویز معتقدند که با تکنولوژی باتری‌های لیتیوم هوا، فرمول مناسبی برای به‌دست‌آوردن چگالی انرژی تا چهار‌برابر بهتر از باتری‌های لیتیوم یونی امروزی پیدا کرده‌اند. تیمی به سرپرستی «محمد اسدی»، استادیار مهندسی شیمی، یک الکترولیت جدید با ترکیب پلیمر و سرامیک معرفی کرده است. هر دوی این ماده‌ها درصورت استفاده جداگانه معایبی دارند، اما هنگامی که با هم ترکیب می‌شوند، به‌دلیل رسانایی یونی بالای سرامیک و پایداری و اتصال بین‌سطحی بالای پلیمر، بهترین راه‌حل را ارائه می‌دهند.

راه‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان با هر بار شارژ باتری یک خودروی برقی، مسافت بیشتری را با آن پیمود. ساده‌ترین راه، افزایش ظرفیت باتری است، با این امید که مشتریان حاضر به پرداخت هزینه اضافه باشند. اگرچه بسیاری از سازندگان این مسیر را انتخاب کرده‌اند، اما همیشه عاقلانه‌ترین راه نیست. خودروهای برقی با باتری‌های بزرگ علاوه بر گران‌تربودن، سنگین هستند که این بر کارایی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. سایر خودروسازان، مانند لوسید و تسلا، در به‌حداقل‌رساندن تلفات انرژی بسیار خوب عمل کرده و کارایی را افزایش داده‌اند تا خودروهای آن‌ها با پک باتری کوچک‌تر، مسافت بیشتری را طی کنند.

سخت‌ترین کار، افزایش ظرفیت باتری و درعین‌حال تغییر ندادن حجم و وزن باتری است. این کار نیازمند تجدیدنظر در سلول‌های باتری و در اغلب مواقع، تغییر فرمول شیمیایی الکترودها، الکترولیت‌ها یا هر دو است. عناصر شیمیایی جدید دارای ویژگی‌های چشمگیری در برخی زمینه‌ها هستند، اما هنوز در بخش‌های دیگر کمبود دارند. به عنوان مثال، باتری‌های حالت جامد چگالی انرژی بالاتری دارند، اما دارای طول عمر بسیار کوتاهی هستند.

نوع دیگری از باتری‌ که وعده افزایش چگالی انرژی را می‌دهد باتری لیتیوم هوا است. چگالی انرژی آن‌ها در تئوری چندین برابر باتری‌های لیتیوم یونی و حتی سلول‌های لیتیوم سولفور است. این ایده جدیدی نیست، اما تاکنون هیچ‌کس نتوانسته است مشکلات مختلف این نوع سلول‌ها را حل کند. به عنوان مثال آن‌ها بسیار ناپایدار هستند، چون فلز لیتیوم هم با رطوبت هوا و هم با آب موجود در الکترولیت واکنش نشان می‌دهد. بازدهی آن‌ها نیز بسیار پایین است؛ زیرا اختلاف ولتاژ شارژ و دشارژ آن‌ها بسیار زیاد است و باعث اتلاف انرژی می‌شود.

باتری لیتیوم هوا، دستاورد یک دانشمند ایرانی

دانشمندان مؤسسه فناوری ایلینویز بر این باورند که فرمول مناسب برای تجاری‌سازی باتری‌ لیتیوم هوا را یافته‌اند. این تیم به سرپرستی محمد اسدی، استادیار مهندسی شیمی، یک الکترولیت جدید را با ترکیب پلیمر و سرامیک - رایج‌ترین الکترولیت‌های جامد - معرفی کرده‌اند.

الکترولیت جامد کامپوزیتی جدید مبتنی بر سرامیک پلی‌اتیلن اکسید امکان تشکیل و تجزیه لیتیوم دی‌اکسید را با سرعت بالا در دمای اتاق فراهم می‌کند که برای اولین‌بار در باتری‌ لیتیوم هوا رخ می‌دهد. این باتری توانایی ذخیره ۱ کیلووات ساعت در هر کیلوگرم یا بالاتر را دارد که چگالی انرژی آن چهار‌برابر بیشتر از پیشرفته‌ترین باتری‌های لیتیوم یونی فعلی ساخت تسلاست. این تیم حتی فکر می‌کند که از طریق بهینه‌سازی می‌تواند میزان چگالی انرژی این باتری‌ها را افزایش دهد.

اسدی می‌گوید: «ما دریافتیم که الکترولیت حالت جامد حدود ۷۵ درصد از کل چگالی انرژی را به خود اختصاص می‌دهد. بنابراین فضای زیادی برای بهبود وجود دارد؛ زیرا ما معتقدیم که می‌توانیم ضخامت را بدون به‌خطرانداختن عملکرد، به حداقل برسانیم و این به ما اجازه می‌دهد تا به چگالی انرژی بسیار بالایی دست یابیم.»

الکترولیت جدید دارای رسانایی و پایداری یونی بالا و نیز ثبات چرخه بالا است. براساس مقاله منتشرشده در مجله نیچر، این باتری جدید برای ۱۰۰۰ چرخه قابل شارژ است و می‌تواند با نرخ شارژ و دشارژ بالا کار کند که برای خودروهای برقی پرفورمنس بسیار مفید است.