باتری قدرتمند دنیا راه را برای وسایل نقلیه سبک و کارآمد باز می کند

کاهش وزن در وسایل نقلیه و دستگاه ها به طور مستقیم به بهره وری انرژی بهتر منجر می شود. باتری های سنتی لیتیوم-یونی اگرچه قدرتمند هستند، اما محدودیت هایی در تراکم انرژی ایجاد می کنند که مانع پیشرفت های بزرگ در خودروهای الکتریکی، هواپیماها و لوازم الکترونیکی قابل حمل می شود.

در این میان، ظهور باتری های ساختاری به عنوان یک نوآوری تحولی در علم مواد چندمنظوره، عصر جدیدی را در طراحی باتری ها آغاز کرده است.

باتری های ساختاری: مفهومی نوین در ذخیره انرژی

باتری های ساختاری دو وظیفه اساسی را انجام می دهند: ذخیره انرژی و تحمل بارهای مکانیکی. برخلاف باتری های سنتی که تنها انرژی تامین می کنند، این نوع باتری ها در ساختار وسیله یا دستگاه ادغام شده و وزن کلی سیستم را کاهش می دهند. این ویژگی منجر به افزایش بهره وری انرژی و برد بیشتر می شود.

برای مثال، جایگزینی سقف یک خودروی الکتریکی با باتری ساختاری می تواند وزن را تا 20 درصد کاهش دهد و فضای بیشتری برای اضافه کردن باتری های اضافی فراهم کند، که نتیجه آن بهبود قابل توجه در مسافت پیموده شده خودرو خواهد بود.

کاربردهای گسترده باتری های ساختاری

پتانسیل این باتری ها بسیار گسترده است. به عنوان مثال:

• وزن لپ تاپ ها را به نصف کاهش می دهد.
• گوشی های هوشمند را به باریکی یک کارت اعتباری می سازد.
• خودروهای الکتریکی را قادر می سازد تا برد خود را تا 70 درصد افزایش دهند.

ریچا چوداری، پژوهشگر دانشگاه صنعتی چالمرز سوئد، این فناوری را به یک "اسکلت انسانی" تشبیه می کند که وظایف متعددی را به صورت همزمان انجام می دهد.

مواد پیشرفته در قلب باتری های ساختاری

باتری های ساختاری بر اساس مواد پیشرفته ای مانند الیاف کربن پلی اکریلونیتریل (PAN-CF) ساخته شده اند. این الیاف، تعادل بهینه ای بین استحکام مکانیکی و خواص الکتروشیمیایی ایجاد می کنند و می توانند به عنوان الکترودها و ساختارهای تقویتی عمل کنند.

پژوهش ها نشان داده اند که پوشش دهی این الیاف با فسفات آهن لیتیوم (LiFePO₄) می تواند عملکرد باتری را بهبود بخشد. با این حال، در تست های اولیه، نگه داری ظرفیت باتری پس از 100 چرخه شارژ تنها 47 درصد بود که ناشی از اتصال ضعیف بین الیاف کربن و فسفات آهن لیتیوم بود.

نوآوری در طراحی باتری های ساختاری

برای حل این مشکل، محققان با استفاده از اکسید گرافن کاهش یافته (rGO) توانستند اتصال را بهبود دهند و ظرفیت خاصی برابر با 72 میلی آمپر ساعت بر گرم به دست آورند. اگرچه این مقدار هنوز به پتانسیل نظری نزدیک نیست، اما پیشرفت قابل توجهی محسوب می شود.

در طراحی های جدیدتر، الیاف کربن به عنوان آند و فویل آلومینیومی پوشش داده شده با LFP به عنوان کاتد ترکیب شده اند. آزمایش ها نشان داده اند که استفاده از جداکننده های نازک تر می تواند مقاومت داخلی را کاهش داده و تراکم انرژی را افزایش دهد.

موفقیت های اخیر در توسعه باتری های ساختاری

دانشگاه صنعتی چالمرز در توسعه این فناوری پیشتاز بوده است. در جدیدترین دستاورد، باتری کامپوزیتی الیاف کربنی تولید شده که دارای تراکم انرژی 30 وات ساعت بر کیلوگرم و مدول الاستیسیته 70 گیگا پاسکال است. این مقدار با استحکام آلومینیوم قابل مقایسه است، اما با وزنی به مراتب کمتر.

لیف اسپ، رهبر این پژوهش، اظهار داشت: "سرمایه گذاری در وسایل نقلیه سبک و کارآمد از نظر انرژی، یک ضرورت است اگر بخواهیم بهینه سازی مصرف انرژی و حفاظت از نسل های آینده را در نظر بگیریم."

چالش ها و مسیر تجاری سازی

اگرچه مسیر از آزمایشگاه تا بازار چالش برانگیز است، اما باتری های ساختاری به سرعت به سمت تجاری سازی پیش می روند. تیم دانشگاه چالمرز شرکتی به نام سینونوس AB تأسیس کرده تا فرایند تجاری سازی را سرعت بخشد.

کاربردهای اولیه این فناوری ممکن است در لوازم الکترونیکی قابل حمل مانند گوشی های هوشمند بسیار باریک یا لپ تاپ های فوق سبک باشد. در بلندمدت، این تکنولوژی می تواند صنایع هوافضا و خودروسازی را متحول کند.

مزایای زیست محیطی باتری های ساختاری

باتری های ساختاری مزایای زیست محیطی قابل توجهی دارند:

1. کاهش استفاده از فلزات سنگین مانند آلومینیوم و مس.
2. حذف فلزات مورد مناقشه مانند کبالت که در باتری های لیتیوم-یونی سنتی به کار می روند.
3. طراحی ساده تر که وزن کلی را کاهش داده و تولید را کارآمدتر می سازد.

چالش های فنی و جهت گیری آینده

یکی از محدودیت های اصلی، استفاده از الکترولیت های مایع است که امکان استفاده کامل از ظرفیت باتری های ساختاری را محدود می کند. علاوه بر این، تکیه بر فویل های تجاری LFP یا استفاده از الیاف کربن به عنوان تنها الکترود منفی نیز خلاقیت در طراحی را محدود می سازد.

برای غلبه بر این موانع، محققان دانشگاه چالمرز یک باتری ساختاری تمام کربنی طراحی کرده اند که از الیاف کربن خالص به عنوان آند و فیبرهای پوشیده شده با LFP به عنوان کاتد استفاده می کند. این طراحی در یک سیستم الکترولیت دو فازی قرار گرفته و به تراکم انرژی 33.4 وات ساعت بر کیلوگرم دست یافته است.

افق های روشن در تولید صنعتی

پیشرفت های اخیر در تکنیک های تولید، تراکم انرژی را به 42 وات ساعت بر کیلوگرم افزایش داده و در عین حال استحکام مکانیکی را حفظ کرده است. این دستاوردها نشان می دهد که باتری های ساختاری می توانند به طور یکپارچه در کاربردهای صنعتی بزرگ مقیاس مانند خودروها، هواپیماها و پهپادها ادغام شوند.

با رشد علاقه جهانی به این فناوری، صنایع خودروسازی و هوافضا از طراحی های سبک تر و کارآمدتر انرژی بهره مند خواهند شد. با این حال، سرمایه گذاری های بیشتری در زمینه تحقیق و توسعه برای تأمین تقاضای انرژی این صنایع ضروری است.

نتیجه گیری

باتری های ساختاری نویدبخش آینده ای هستند که در آن مواد چندمنظوره، نه تنها وسایل نقلیه و دستگاه های ما را سبک تر و کارآمدتر می کنند، بلکه تأثیرات زیست محیطی را نیز به حداقل می رسانند. با پیشرفت سریع فناوری، تحقق رویای گوشی های فوق باریک، لپ تاپ های سبک وزن و وسایل نقلیه الکتریکی با کارایی بالا نزدیک تر از همیشه است.