کاربرد فناوری نانو در ساخت باتری های قابل شارژ

1- باتری قابل شارژ

مقدمه

باتری دســتگاهی اســت که در آن طی یک ســری فعل و انفعالات شــیمیایی، انرژی شــیمیایی به انــرژی الکتریکی تبدیل می شــود. باتری هــا دارای انــواع گوناگونی هســتند، در یک دســته بندی کلی می تــوان آن هــا را بــه دو نــوع باتری هــای غیرقابل شــارژ (اولیــه) و باتری هــای قابل شــارژ (ثانویه) تقســیم بندی کرد. هــدف ما تمرکز روی باتری های قابل شارژ (ثانویه) است.

 

انواع باتری های قابل شارژ (ثانویه)

باتری سرب اسید

این باتری گونه ای از باتری های قابل شارژ است که در سال 1895 توســط دانشــمندی فرانســوی بــه نــام پلانــت اختــراع شــده اســت. باتری های ســرب اســید یکــی از قدیمی تریــن باتری های قابل شــارژ در جهــان هســتند. امــروزه باتری هــای اســیدی در صنایــع خــودرو، ماشــین آلات سنگین و همچنین سامانه های برق پشتیبان کاربرد گسترده ای یافته اند. در اواسط دهه 1970 میلادی محققان مشغول پژوهــش و توســعه نوعــی باتری اســــیدی بودند کــه در هر وضعیتی قابل استفاده و کاربرد باشــد. نتایج حاصل کار این محققان دو نوع باتری بود که برگرفته از کاربرد آن ها یکی به نام «باتری اسیدی بدون منفذ» که به اختصار SLA یا ژل خوانده می شوند و دیگری باتری اسیدی مجهز به دریچه تنظیم یا VRLA خوانده می‌شود. هر دو نوع باتری مذکور به لحاظ فنی شباهت بسیاری به یکدیگر دارند. برخلاف باتری های اســیدی شــناور، هــر دو نــوع باتری VRLA و SLAاز طراحی خاصــی برخــوردار شــــده اند کــه احتمال افزایــش ولتاژ بیــش از حد و بــه دنبــال آن ایجــاد گاز درون باتــری به هنــگام شارژ شــدن را تا حد چشــمگیری کاهش می دهد، همچنین در این نوع از باتری ها شارژ بیش از حد موجب نشت گاز و مایعات از باتری خواهد شد، از همین رو این باتری ها هرگز به میزان تکمیل ظرفیت خود شارژ نمی شوند.
از دیگر خصوصیات باتری های اسیدی آن است که قرارگیری آن ها تحت شارژ برای مدت طولانی مشکلی برای باتری ایجاد نمی کند و اثر مخربی بر آن نخواهد داشــت و از مناسب ترین وضعیت نگهداری شارژ در میان سایر انواع باتری های قابل شارژ برخوردار است. با آنکه باتری هــای نیکل-کادمیــوم حدود 40 درصــد از میزان ذخیره شــارژ خود را به طور خودبه خود و بدون مصرف در مدت سه ماهه نخست پس از آخرین تاریخ شارژ از دست می دهند، این میزان تخلیه انرژی خود به خــودی بــرای باتری هــای اســیدی SLA از دســت دادن 40 درصــد از میزان انرژی ذخیره شــده در مدت یک ســال پس از آخرین تاریــخ شــارژ به وقــوع می پیوندد. از ســوی دیگر با آنکــه هزینه اولیه خریــد باتری اســیدی نســبتا کم و پایین تــر از نیکل-کادمیوم اســت امــا به مــرور زمــان و طــی دوره عمر مفیــد، هزینه های کارکــرد باتری SLA فزاینــده و به مراتــب بیشــتر از نیکل-کادمیــوم خواهــد بــود. از محدودیت های باتری های اسیدی می توان به محدودیت در شارژ سریع اشاره کرد. برای نمونه زمان لازم برای تکمیل شارژ این نوع از باتری ها بین8 تا 16 ســاعت اســت که زمان بسیار زیادی محسوب می شــود. از دیگــر محدودیت های این نوع باتــری امکان نگهداری و ذخیــره تنها در حالت شارژ شــده اســت. به عبارت دیگــر نگهداری و رها کردن باتری بدون شــــارژ و در حالت تخلیه به سرعت سبب بروز سولفاته شدن باتری خواهد شد.
برخلاف باتری های نیکل-کادمیوم، باتری های اسیدی از ظرفیت بازدهــی انــرژی کــم و محــدودی برخوردار هســتند (ســرعت تخلیه شــارژ بالا) و برای افزایش این قابلیت تنها امکان موجود، استفاده از باتری های اسیدی بزرگ تر است. همچنین بسته به میزان مصرف و دمای محیط استفاده از باتری، عمر مفید باتری های اسیدی بین 200 تا 300 مرتبه شارژ و مصرف متغیر است و مهم ترین عامل مؤثر در کاهش طول عمر مفید این نوع از باتری ها، ایجاد خوردگی در شبکه الکتــرود مثبــت درون باتری، تخلیه مواد فعال و همچنین انبســاط صفحــات قطــب مثبــت آن اســت. ایــن تغییرات بــا افزایــش دمای محیط فعالیت باتری، شــدت و فزونی می یابند. دمای بهینه برای بهره بــرداری از باتری هــای اســیدی VRLA و SLA به طور متوســط حدود 25 درجه سانتی گراد ( معادل 77 درجه فارنهایت ) است، به عنوان یک قاعده کلی افزایش هر 8 درجه سانتی گراد (معادل 15 درجه فارنهایت) به دمای مذکور چیزی در حدود نیمی از عمر مفید باتری را کاهش خواهد داد. به عبارت دیگر باتری نـوع VRLA که در درجه متوسط و مطلوب 25 درجه سانتی گراد به طور متوسط 10 سال عمر مفید برای آن زده می‌شود، در صورتی که در دمای متوسط 33 درجه سانتی گراد (95 درجه قارنهایت) به کار گرفته شوددر بهترین حالت عمر مفید آن چیزی در حدود 5 سال برآورد می‌شود و همان باتری در صورت استفاده در دمای متوسط42 درجه سانتی گراد (معادل 107 درجه فارنهایت) تنها کمی بیش از یک سال عمر مفید خواهد داشت.
از میــان باتری های قابل شــارژ مدرن امروزی، خانــواده باتری های اسیدی از قابلیت ذخیره انرژی پایین تری برخوردار هستند و همین قابلیت کافی اســت تا آن هــا را برای به کارگیری در تجهیزات ســیار و قابل حمل نامناسب جلوه دهد، به علاوه آنکه همان طور که پیش تر هم اشاره شد عملکرد این نوع از باتری ها در دمای بالا بسیار ضعیف اســت. گذشــته از موارد فوق بیشــترین مدت زمان مصرف (تخلیه) باتری های اســیدی5به طور متوسط حدود5 ســاعت اســت و این در حالی است که برخی دیگر از انواع باتری های قابل شارژ زمان مصرفی در حدود 20 ساعت دارند.

مزایای باتری سرب اسید

• تولید آسان و ارزان قیمت
• قابل اعتماد و بادوام در صورت استفاده و نگهداری مناسب
• میزان کم تخلیه خود به خودی (بدون مصرف) انرژی ذخیره شده
• کمتریــن میزان تخلیه خودبه خــودی در میان انــواع باتری های قابل شارژ
• نیازمند الزامات و شرایط نگهداری ساده
• نرخ تخلیه انرژی بالا

 

معایب باتری سرب اسید

• عدم امکان نگهداری در حالت تخلیه (بدون شارژ)
• میزان پایین ذخیره انرژی
• محدودیت در تعداد دفعات تخلیه کامل شارژ
• عدم سازگاری با محیط زیست (ترکیبات الکترولیت و اسید سبب بروز آسیب های زیست محیطی خواهند بود.)
• محدودیت های حمل ونقل ناشی از نگرانی های زیست محیطی به دلیل افزایش احتمال نشــت اســید و ســایر مواد درونی در هنگام تصادفات وسایل نقلیه
• افزایش بیش از حد حرارت در صورت شارژ نامناسب

 

باتری نیکل-کادمیم Ni-Cd

این نوع از باتری ها نخســتین بار در ســال ۱۸۹۹ اختراع شده است. مصرف عمده این نوع باتری در لوازم الکترونیکی است. سلول های نیکل-کادمیــوم بیشــترین و رایج تریــن باتری هــای قابل شــارژ در مصــارف خانگی را تشــکیل می دهند. اســتفاده از آن هــا برای تأمین انرژی موردنیاز وسایل کوچک و قابل حمل خانگی مانند تلفن های بــدون ســیم کاربردهای بســیاری دارد. به طور کلی هر ســلول اصلی باتری ها از یک آند (قطب منفی) کادمیوم، یک کاتد (قطب مثبت) نیکل هیدروکسید و یک ماده آلکالاین به عنوان الکترولیت تشکیل شده است. معادله شماره (1) نشــانگر واکنــش شــیمیایی درون ســلول نیکل-کادمیــوم اســت. باتری هــای متشــکل از ســلول های نیکل-کادمیوم معمولا جریانی متوســط و به بالا را با ولتاژی نســبتاً پایدار و ثابت برای مصرف فراهم می آورند. متأســفانه فناوری تولید باتری های نیکل-کادمیوم هنوز نسبتا گران قیمت و پرهزینه است. از آن گذشته کادمیوم فلزی سمی و مضر برای محیط زیست شناخته می شود؛ اما در کنار همه معایب یاد شده، بازیافت بسیاری از اجزای باتری های نیکل-کادمیوم به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه اســت، به طوری که در حال حاضر چندین شــرکت بزرگ تولیدکننده باتری در این زمینه فعالیت می کنند.
معادله (1):
Cd + 2H2O+ 2NIOOH  2NI(OH)2+ Cd(OH)2

مزایای باتری نیکل-کادمیم

• قابلیت شارژ سریع و آسان حتی بعد از ذخیره طولانی مدت
• میــزان و چرخــه بــالای دفعات شــارژ و مصرف: به شــرط رعایت نکات مربوط به نگهداری مناســب تعداد دفعات قابل شارژ باتری تا 1000 مرتبه نیز افزایش خواهد یافت.
• کارایی بالا: امکان انجام عملیات شارژ باتری در دمای پایین
• قابلیت مناسب نگهداری شارژ در وضعیت آماده به کار
• نگهداری و جابجایی ساده: بسیاری از شرکت های هواپیمایی حمل باتری های نیکل-کادمیوم را بدون هیچ محدودیت و شرایط خاصی می پذیرند.
• کارایی و عملکرد مطلوب در دمای پایین
• صرفه اقتصادی نیکل کادمیوم: کم هزینه ترین باتری قابل شارژ به نسبت طول عمر مفید شناخته می شود.
• وجود تنوع و طیف گسترده ای از این نوع باتری به لحــاظ ابعاد و کاربری های متفاوت در بازار.

معایب باتری نیکل-کادمیم

• میــزان تراکــم ذخیــره انــرژی نســبتا پاییــن (در مقایســه بــا انــواع جدیدتر)
• الزام در شــارژ و مصرف مســتمر و مداوم جهت نگهداری مناســب باتری
• مضر برای محیط زیســت: حاوی فلزات ســمی، چنان چه برخی کشــورها اســتفاده از ایــن نــوع از باتری هــا را بــا وضع مقــررات خاصی محدود کرده اند.
• میــزان بالای تخلیه خود به خودی انرژی شــارژ به نحوی که پس نیازمنــد ً از ذخیــره طولانی مــدت و بــدون اســتفاده، باتــری مجــددا شارژشدن است.

باتری نیکل-هیدرید فلزی NI-MH

ایــن ســلول اولین بــار در ســال 1989 اختــراع شــده و گونــه ای از باتری های قابل شارژ است که شباهت زیادی به باتری های نیکل کادمیم دارند. در این باتری ها الکترود مثبت از جنس نیکل اکســی هیدروکســید و الکتــرود منفــی از جنــس آلیــاژ جذب کننده هیــدروژن اســتفاده شــده اســت.
این نــوع باتری نســبت بــه نیکل-کادمیم 2 تا 3 برابــر ظرفیــت بیشــتری دارد. طراحــان و تولیدکننــدگان باتری تحقیقات بســیاری را صرف استفاده و جایگزین کردن مواد جدیدی به جــای کادمیــوم و به منظــور ارائه ســطح بالایی از انــرژی و قابلیت شــارژ و اســتفاده مجدد در کنار هزینه ای به مراتب پایین تر کرده اند. باتری های NI-MH یکی از این نوع باتری های جایگزین به شــمار می رونــد. آنــد یا قطب منفی باتری هــای NI-MH از آلیاژهای فلزی جاذب هیدروژن و کاتد یا قطب مثبت نیز از اکسید نیکل تشکیل شده است. همچنین ماده الکترولیت به کار رفته درون این نوع از باتری ها را هیدروکسید پتاسیم تشکیل می دهد. مطابق اطاعات ارائه شده از سوی تولیدکنندگان باتری های نوع NI-MH ، ظرفیت ذخیره انرژی و طول عمر مصرف این نوع باتری ها حدود 40 درصد بیشتر از انواع مشابه و هم اندازه از نوع نیکل-کادمیوم است و از سوی دیگر چرخه عمــر مفید باتری هــای NI-MH نیز حدود 600 مرتبه شــارژ-مصرف عنوان شــده اســت. این خصوصیــات باتری هــای NI-MH را برای کاربردهایی که در آن ها ســطح بالایی از انرژی موردنیاز است (مانند استفاده در لپ تاپ، تلفن های همراه و یا دوربین های فیلم برداری) مناســب جلــوه می دهد؛ اما در عیــن حال قیمت این نــوع باتری نیز نسبتا گران بوده و میزان تخلیه شارژ خودبه خودی (بدون مصرف)بالایی دارد.

مزایای باتری نیکل-هیدرید فلزی

• حدود 30 تا 40 درصد ظرفیت ذخیره انرژی بیشتر نسبت به انواع نیکل کادمیوم مشابه
• شــرایط آســان تر نگهداری به لحــاظ فواصل میان دفعات شــارژ و استفاده (تخلیه)
• حمل ونقل و نگهداری آسان
• سازگاری بیشتر زیست محیطی: حاوی مواد سمی کمتر و قابلیت بازیافت بهتر

معایب باتری نیکل-هیدرید فلزی

• دوره کوتاه تر عمر مفید: هنگام استفاده در شرایط سخت کاری (جریان شــدید الکتریســیته و یا کاربــری در دمای بــالا) دوران افت و مرتبه شارژ به طور چشم گیری ۳۰۰ تا 2۰۰تنزل کارایی باتری پس از بروز می یابد.
• ارائــه جریان مصرف (تخلیه) کمتــر: اگرچه باتری های نیکلهیدریــد فلــزی از ظرفیــت لازم بــرای ارائــه جریــان بــالای الکتریکــی برخــوردار هســتند امــا تــداوم و اســتمرار اســتفاده آن هــا در مصــارف نیازمند تخلیه با جریان های بالا سبب کاهش طول عمر مفید باتری می شود.
• نیازمنــد الگوریتم شــارژ پیچیده تر: باتری هــای نیکل-هیدرید فلزی هنگام شارژ، بیشتر از انواع نیکل-کادمیوم گرما و حرارت تولید می کنند و نیازمند مدت زمان طولانی تری برای تکمیل شارژ هستند.
• میــزان بــالای تخلیه خودبه خــودی انرژی: تخلیــه خودبه خود (بــدون مصــرف و در حالــت آماده بــه کار) بــرای باتری هــای نیــکل-هیدرید فلزی به میزان 50 درصد بیشتر از باتری های نیکل-کادمیوم است
• افــــت و کاهــــش کارایی در دمای پایین: نگهداری و استفاده از باتری های نیکل-هیدرید فلزی در دمای پایین می تواند به میـزان 40 درصد از عمر مفید آن بکاهد.
• نیازمنــد نگهداری و مراقبت دقیــق: باتری های نیکل-هیدرید فلزی به طور خاصی به منظور جلوگیری از تشکیل کریستال (سولفاته شدن) نیازمند نگهداری و رعایت دقیق فرایند و چرخه شارژ و مصرف (تخلیه) هستند.
• حدود 20 درصد قیمت بالاتر نسبت به انواع مشابه نیکل کادمیوم

باتری هوا-فلز

یکی از کاربردی ترین روش های دستیابی به ظرفیت تراکم ذخیره انــرژی بالا اســتفاده از اکســیژن موجود در هوا به عنــوان کاتد (قطب مثبــت) و بهره گیــری از فلزی همچــون روی و یا آلومینیوم به عنوان الکترود آند (قطب منفی) در سلول است. در چنین سلولی سهم کاتد اکســیژن در مقابل آند موجود ناگزیر کاهش می یابد اما با بهره گیری از یک کاتد گازی ســهم بیشــتری از فضای هر ســلول در اختیار آند و ماده الکترولیت قرار خواهد گرفت و درنتیجه با کاهش ابعاد و اندازه ســلول، همچنــان انرژی خروجی از آن در ســطحی بــالا باقی خواهد مانــد. برخــی از ســلول های هــوا – فلــز بــرای کاربردهایــی همچــون اســــتفاده در وسایل کمک شنوایی (سمعک ها)، ساعت های مچی و تجهیزات استراق سمع مخفی به کار برده می شوند.
ســلول های هوا-فلــز دارای برخی معایب فنی نیز هســتند. برای نمونــه ســاخت و تولید ســلول هایی کــه درون آن ها الکتــرود کاتد به طــور کامــل و در یک محیــط نفوذناپذیر از ســوی الکترود منفی (آنــد) در برگرفتــه شــده اســت، مشــکل اســت. همچنیــن مادامی کــه مــاده الکترولیــت در تماس مســتقیم با هــوا اســت، تقریبا بعد از گذشــت یــک تا ســه مــاه پس از شــروع فعالیــت باتــری (تولید)، الکترولیت رفته رفته به گونه ای خشــک می شــود کــه ادامه فرایند واکنش شــیمیایی برای آن میســر نخواهد بود. برای جلوگیری از بروز این مســئله و خشــکی زودرس ماده الکترولیت درون ســلول، کارخانــه تولیدکننــده هنــگام ســاخت، صفحه یا ضامــن خاصی را درون باتــری تعبیــه می کنــد کــه می بایســت پیش از اولیــن مرتبه اســتفاده از ســوی مشــتری از باتری و درون آن با کشــیدن ضامن مربوطه، جدا و خارج شود.

باتری لیتیوم-یون (Li-Ion)

یــک خانــواده از باتری هــای قابل شــارژ هســتند کــه هنــگام تخلیه (دشــارژ) آن هــا یون های لیتیــوم از الکترود مثبت به ســمت الکترود منفــی حرکــت می کننــد. باتری هــای لیتیوم-یون بالاتریــن چگالی انرژی را فراهم می ســازند. باتری لیتیومی نســبت به ســایر باتری ها دارای ویژگی های ممتاز بســیاری اســت. همین امر باعث گســترش کاربرد این باتری و جایگزینی آن با ســایر باتری های قبلی در صنایع مختلف شده است. لیتیوم به عنوان سبک ترین و یکی از فعال ترین فلــزات جــدول عناصــر بــا دارا بــودن الکتروپوزیتیویتــه بــالا یکــی از مناســب ترین فلــزات به کار برده شــده در پیل های الکتروشــیمیایی است.
باتــری لیتیوم-پلیمــر در واقــع نوعی باتری لیتیوم-یون پیشــرفته اســت. این باتری از نظر ســاختار بسیار شبیه به باتری لیتیوم-یون اســت البته بــا برخی تفاوت هــا در ویژگی های ســاختاری که موجب افزایش بهره وری باتری می شــود. به طور مثــال وقتی که یک باتری لیتیوم-پلیمــر به طــور کامــل شــارژ می شــود خطــر انفجــار آن وجــود نــدارد. ایــن ویژگــی از نظر ایمنی بســیار حائــز اهمیت اســت. در این نوع باتری ها در اصل از یک ماده پاســتیکی آند و الکترولیت بر پایه الکترولیت جامد استفاده می شود. فناوری تولید باتری های لیتیومپلیمــر همواره در حال پیشــرفت و بهبود اســت، به طوری که در حال حاضــر محققان از الکترولیتی به شــکل ژل و جدا کننــده در این نوع باتری ها استفاده می کنند که اطاعات ویژگی های آن در حال انتشار است.

مزایای باتری لیتیوم-یون

• دانسیته انرژی بالا
• دارا بودن بالاترین پتانسیل الکتروشیمیایی
• تخلیه خودبه خودی پایین
• نگهداری و حفاظت آسان
• نداشتن اثر حافظه
• عدم نیاز به دشارژ کامل
• وزن کم
• عدم وابستگی شدید طول عمر به تعداد دفعات شارژ
• گستره دمایی خوب
• تحمل دمای بالا تا 60 درجه و آسیب ندیدن ظرفیت باتری در این دما
• امکان ساخته شدن در شکل فیزیکی ظریف و نازک
• دامنه ولتاژ مناسب برای پردازنده های نسل جدید

معایب باتری لیتیوم-یون

• تأثیرپذیــری شــدید و کاهش ظرفیت باتری و خراب شــدن آن در صورت افزایش یا کاهش ولتاژ آن از محدوده نرمال. اگر ولتاژ باتری به کمتر از 2.4 ولت برسد می تواند باعث اکسید شدن الکترودهای آن شــده و در اثر واکنش شــیمیایی داخلی کل ظرفیت یا بیشتر آن را از دست بدهد.
• افزایش ولتاژ باتری (به بیش از 3.4 ولت) یا جریان دادن به یک باتری کاملا پر می‌تواند باعث به بیش از پر هم می تواند باعث خوردگی الکترودهای آن شــده و همه ظرفیت باتری را از بین ببرد.
• مقاومت داخلی بالا: مقاومت داخلی باتری های لیتیومی بیشتر از باتری های نیکلی است، علاوه بر محدود شدن جریان خروجی در صورت اتصال کوتاه باعث داغ شدن باتری و انفجار آن خواهد شد.
• طول عمر پایین برای کاربردهای خودرو برقی
• ایجاد دماهای زیاد در حد ذوب فلزات در صورت اشتعال و انفجار (لیتیوم-یون)
• قیمت بالا نسبت به سایر باتری ها

مقایسه باتری های قابل شارژ (ثانویه)

جدول 1 مقایســه بین ویژگی های باتری های قابل شارژ متداول را نشان می دهد.
در شکل 6 مقایســه دانســیته انــرژی انــواع باتری های قابل شــارژ نمایش داده شده است. مشخص است که در میان این باتری ها، باتری لیتیومی بیشترین دانسیته انرژی را دارد.

2- چالش های موجود در استفاده از باتری قابل شارژ و کاربرد فناوری نانو

باتری هــا در ابعــاد و اشــــکال مختلفــی تولیــد و عرضه می شــوند و هیــچ نوع از آن ها به صــورت کلی برای همــه کاربردهای موردنظر، مناســب اســتفاده نیســتند، از ســوی دیگر انــرژی قابل ارائه توســط باتری ها رابطه ای مستقیم با اندازه باتری و مواد (ترکیبات) به کار گرفته شــده در آن دارد، حتی باتری هایــی از یک نوع و دارای ابعاد همســــان و مواد متشکل یکسان که از سوی کارخانه های مختلف تولید شــده اند نیز تا حدودی متفاوت از هم هســتند. بر این اساس در ادامه برخی از چالش های موجود در اســتفاده از باتری قابل شارژ به طور خاصه مطرح می شوند.

عمر باتری قابل شارژ

بــرای باتری هــای نــوع دوم (قابل شــــارژ) محدوده عمــر مفیدی درنظــر گرفتــه می شــود کــه پــس از انقضــای ایــن مــدت باتــری خصوصیات خود را از دســت می دهد و رفته رفته غیرقابل استفاده می‌شود. معمولا (به طــور متوســط) طــول عمــر باتری هــای قابل شــــارژ را به شــرط رعایــت الزامــات و شــرایط نگهــداری آن هــا حدود 3 ســال و یا کمتر درنظر می گیرند. با نزدیک شــدن به پایان عمــر باتری هــای قابل شــارژ علائــم و نشــانه هایی از جملــه نیاز به شــارژ به صورت متعدد و متوالی، کاهــش مدت زمان میان دفعات شــارژ، کاهش طول فرایند شــارژ (شــارژ باتری ســریع تر از زمان لازم تکمیل می شود) و در نهایت تخلیه ناگهانی و در مدت زمان بسیار کوتاهــی طــی فراینــد مصرف بــروز می نماید که بیانگــر اتمام طول عمــر مفیــد باتری قابل شــارژ و نیــاز به تعویض آن اســت. با کمک فنــاوری نانــو می تــوان تعــداد ســیکل های کاری (شــارژ و دشــارژ) باتــری را افزایــش داد و عمــر کارکرد باتری را بهبود بخشــید. یکی از اصلی ترین معایب باتری های قابل شارژ، اثر افت کارایی است. کربن هــای گرافیتی مورداســتفاده در باتری های قابل شــارژ پس از مدتی پوسته پوسته می شوند و سپس باتری به کلی از کار می افتد. بازطراحــی آنــد و ایجــاد تغییرات نانویــی در ســاختار آن ها، باعث افزایش عمر باتری می شود.

بازه دمایی کاربری باتری قابل شارژ

اگر در شرایط نامتعادل دمایی (دمای بسیار بالا و یا بسیار پایین) قصــد اســتفاده از باتری ها را دارید بهتر اســت به بــازه دمایی باتری موردنظــر پیــش از اســتفاده از آن توجــه کنید. دامنــه دمایی کاری باتری حداکثر بین 20- تا 60+ درجــه ســانتی گراد اســت. دمای کاری بسیار پایین یا بالا یک چالش برای باتری محسوب می شود و روی عملکــرد و عمــر باتــری تأثیــر مســتقیم دارد. به طــور مثــال نگهداری و اســتفاده از باتری هــــای نیکل-هیدرید فلزی در دمای پایین می‌تواندبه میزان 40 درصد از کارایی آن بکاهد و یا افزایشهر 8 درجه سانتی گراد (معادل 15 درجه فارنهایت) به دمای 25 درجه سانتی گراد (معادل 77 درجه فارنهایت) چیزی در حدود نیمی از عمر مفید باتری سرب اسید را کاهش خواهد داد. لذا در صورت الزام به کارگیری باتری در دمای پایین می توان از نانوعایق به عنــوان محافــظ جانبــی باتــری بهــره گرفــت که جلــوی کاهش دمای باتری در محیط سرد را بگیرد. همچنین می توان از نانومواد تغییر فازدهنده به عنوان پوشــش جانبی باتری استفاده کرد که در مواقعــی کــه دمای باتری بالا می رود یک منبع جذب گرما شــوند و جلــوی افزایش دمــای بیش ازحد باتری را بگیرند. همچنین ایجاد تغییرات نانویی در ســاختار باتری ها باعث افزایش گســتره دمایی کارکرد باتری شده و عملکرد آن را ارتقا می بخشد .

هزینه باتری قابل شارژ

هزینه باتری شــامل یک هزینه اولیه و یک هزینه ســالیانه اســت. هزینــه اولیــه ثابت اســت که برای خریــد اولیه باتری ها لازم اســت. هزینه دیگر مربوط به هزینه های تعمیر و نگهداری مجموع باتری است که سالیانه در نظر گرفته می شود. عملکرد و عمر باتری پارامتر مهمــی اســت کــه در هزینه های ســالیانه تأثیرگــذار اســت و اگر عمر باتری کمتر از 3 ســال باشــد، این هزینه افزایــش می یابد و موجب گران تر شدن سیستم می شود.
باتری های قابل شارژ شامل دو الکترود به نام های آند و کاتد هستند که انتقال یون ها از طریق الکترولیت است. این الکترودها ورقه های نازکی هســتند کــه با مواد پودری پوشــش داده شــده اند که در طول شارژ شدن و تحویل انرژی، یون ها را ذخیره و آزاد می کنند. آند اغلب از گرافیــت و در کاتــد از فلــزات دیگــر (ماننــد کبالت، منگنــز، نیکل، آلومینیوم یا آهن که می تواند به شــکل اکســید، فسفات، سیلیکات باشد) ساخته شده است. تولید باتری هایی با استفاده از مواد کاتدی و مقرون به صرفه نانوساختار می تواند قیمت باتری های قابل شارژ را کاهش دهد. با کمک فناوری نانو می توان تعداد سیکل کاری شارژ و دشــارژ باتری قابل شــارژ را افزایش داد و عمــر کارکرد باتری را بهبود بخشــید و هزینــه ســالیانه و در نتیجه هزینه کل مجموعه باتــری را کاهش داد. همچنیــن اســتفاده از نانومــواد ارزان قیمــت در اجــزای اصلــی یــک باتری که شامل آند، کاتد و الکترولیت هستند، سبب افزایش کارایی و طول عمر باتری می شود.

3- فناوری نانو در باتری قابل شارژ

باتــری یــک منبــع تولیــد انــرژی الکتروشــیمیایی اســت کــه انــرژی آزاد شــده از یــک واکنــش شــیمیایی را به جریان الکتریسیته تبدیل ًمستقیما می کنــد. باتری هــا دو نقــش عمــده را بــرای مــا ایفــا می کننــد اول اینکــه به عنــوان یــک منبــع قابــل الکتریکــی عمــل می کننــد. نقــش دوم کــه رونــد روبه رشــدی طی سال های آتی خواهد داشــت، اســتفاده از باتری ها به عنوان منبع ذخیره انرژی از یک منبع خارجی است. به عنوان مثال این نوع باتری ها به عنــوان منبــع انــرژی وســایل نقلیــه الکتریکی، منبع برق اضطراری، منبع مناســب بــرای بازه هــای اوج مصــرف برق و منبع متصل به روش های جدید تولیــد جریــان الکتریکــی خواهند بود. بازار باتری ها (به خصوص باتری های قابل شــارژ) در حــال گســترش اســت. ایــن باتــری برای مصــارف گوناگون از قبیل تلفـن هـــای همراه و کنترل های از راه دور درنظـــر گرفته می شــوند. این باتری هــا کوچــک، ســبک و مطابق با استانداردهای محیط زیست هستند. آن ها ولتاژهـای بالایی را تأمین کرده و تا 1000 مرتبه قابل شارژ مجدد هستند. تا ابتــدا ایــن باتری هــا ســـاختار اســـیدی ســـربی داشــتند کــه کم کــم بــه ســمت ساختار نیکل کادمیوم کشیده شدند. تأثیر کوتاه مدت عمده فناوری نانو بر فنــاوری باتــری، از به کارگیری نانوذرات حاصل خواهد شــد. آن ها بدون تأثیرگــذاری فوق العاده بر ظرفیــت کل، ســرعت شــارژ و تخلیه را بهبود می بخشــند. بــا این حال تحقیقات انجام شــده روی اســتفاده از نانولوله هــا به جای گرافیت در الکترودها بیانگر توانایــی آن ها در دو برابر کردن ظرفیت باتــری (و حتــی بیشــتر) اســت. به طــور کلی دو نوع باتری قابل شــارژ هســتند کــه از فنــاوری نانو در ســاختار آن ها اســتفاده شــده اســت و بیشــتر تحقیقات نیز روی این دو گروه انجام شده است. نوع اول باتری های بـــر پایـه لیتـــیوم هستند. برای مثال باتری های یون-لیتیم. نوع دوم باتری های بر پایه هیدریدهای فلزی هســتند. محققان ثابت کرده اند که اســتفاده از نانولوله ها در این دو نوع باتری باعث افزایش چشــمگیری در طول عمر، دانســته جریان و ســرعت شــارژ شــدن آن ها شــده اســت. نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناســب برای گرافیت معمولی در ســاختار الکترود گرافیت – لیتیــم درنظــر گرفتــه شــده اند. به دلیــل کوچک بــودن ســاختار نانولولــه ســطح مفید تمــاس آن ها بــا لیتیــوم بیشــتر از گرانیت معمولی اســت به طوری که ظرفیــت یک لایه نانولوله در آزمایشــگاه به 640 آمپرســاعت به کیلوگرم رســیده اســت. با اســتفاده از فناوری نانو در ســاخت باتری ها در ابتدا میزان شــارژ مجــدد آن ها 10 برابر شد که اکنون با توسعه این فناوری باتری های کنونی تا 100 برابر باتری هــای قبلی (بدون اســتفاده از فناوری نانو) قابلیت شارژ مجدد را دارند.
البته باتری های قابل شارژ بــازاری پابرجا دارند. مثل بازار رو به رشد تأمین انرژی وسایل الکترونیکی قابل حمل. در یک دهــه گذشته اگرچه فناوری ساخت باتری در سه گروه نیکل-هیدرید فلزی، یون-لیتیوم و لیتیوم-پلیمر رشد چشمگیری را تجربه کــرده امــا هنوز نیاز صنایع را به طور کامل بـــرآورده نساخته اســت. مــواد سازنده باتری کلید توسعه آن بوده و اکنون با ورود فناوری نانو به این عرصه شاهد نسل جدیدی از این باتری ها هستیم. به دلیل دانسته انرژی بالا و ساختار انعطاف پذیر باتری های بر پایه لیتیوم، این باتری‌ها 63 درصد از سهم فروش بازار را در اختیار خود داشته اند. البته با توجه به اینکه در یک گزارش مجزا به باتری های لیتیومی و فناوری نانو پرداخته خواهد شد، لذا در این گزارش به انواع دیگر باتری قابل شارژ پرداخته خواهد شد.
کاربردهــای فنــاوری نانــو در باتری خورشــیدی را می تــوان به صورت اســتفاده از مواد نانو در ســاختار الکتــرود، کاتــد و کاتالیســت های باتری قابل شــارژ بیان کرد.

شما عزیزان همچنین میتوانید در سایت هورآیش مقاله کاربرد فناوری نانو در سلول خورشیدی را نیز مطالعه کنید.

اســتفاده از نانو فیبرهای پلی آنیلین به عنوان کاتد در باتری قابل شارژ روی-پلی آنیلین

پلی آنیلین با ساختار نانو فیبر به روش نرمال پالس ولتامتری سنتز و به عنوان کاتد در باتری قابل شارژ روی-پلی آنیلین مورداستفاده قرار گرفته است. در سنتز پلیمر با ساختار نانو فیبر ابتدا شرایط سنتز پلیمر بهینه می شود. برای این منظور تأثیر عواملی چون میــزان افزایــش ارتفــاع پالس هــا، پهنــای پالس ها روی ســاختار و خصوصیات الکتروشــیمیایی پلیمر و ظرفیــت شارژ/دشــارژ موردبررســی قــرار گرفتــه است. نانو فیبرهای پلی آنیلین سنتز شده به عنوان کاتــد در باتری هــای قابل شــارژ روی-پلی نیلیــن مورداستفاده قرار گرفته اند. به دلیل افزایش سطح مؤثر پلیمر سنتز شده با ساختار نانوفیبر در مقایسه با باتری هایی که در آن ها از پلیمری با ساختار معمولی استفاده شده است، کارایی این باتری ها افزایش پیدا می کند به طوری که این باتری ها ظرفیت دشــارژ 235 Ahkg-1 و انرژی ویژه 287 Ahkg-1 را از خود نشــان می دهند و در محدوده وســیعی از چگالی 5/6 mAcm-2 – 0.3 کارایی کولمبی به بازه 97-100 درصد می‌رسد.
پارامترهــای الکتروشــیمیایی موردنظــر برای باتری قابل شــارژ روی-پلــی آنیلین در جدول 2 ارائه شده است.

 

همــان گونه که در این جدول مشــاهده می شــود، باتری کــه کاتد آن نانو فیبرهای پلی آنیلین ســنتز شــده با روش نرمال پالس ولتامتری (NPV) است، ظرفیت دشارژ بزرگتری دارد. همچنیــن در محــدوده چگالــی جریــان 0/3-5/6 mA/cm2 ، کارایــی کولمبــی ۹۷-۱۰۰ درصد اســت کــه این در مقایســه با باتری کــه در آن کاتد فیلم پلی آنیلین ســنتز شــده بــا روش ولتامتری چرخــه ای(CV ) قرار دارد، وســیع تر است. ظرفیت دشــارژ باتری هــای روی-پلی آنیلین با روش هــای CV و NPV، بعد از 250 و 120 چرخه به 60 درصد ظرفیت اولیه می رسد. ظرفیت بالاتر باتری روی – پلی آنیلین که در آن پلی آنیلین با روش NPV سنتز شده مربوط به ساختار متخلخل و ناحیه سطحی بیشتر نانو فیبرهای پلی آنیلین است.

استفاده از کربن با ساختار نانومتخلخل به عنوان الکترود باتری قابل شارژ لیتیوم-هوا

باتری هــای قابل شــارژ باتــری لیتیوم-هــوا عملکــرد خــوب و آینــده روشــنی را برای دســتگاه های ذخیره انرژی قابل حمل نشــان می دهند. نمودار 1 مقدار انرژی تئوری و عملــی بــرای باتری های قابل شــارژ و ســوخت های فســیلی و مقایســه بیــن آن ها را به خوبی نشان می دهد.
نســبت حجمی فضــای خالی ماده متخلخل به حجم کل مــاده، تخلخل نامیده می شود.

اتحادیــه جهانــی شــیمی محــض و کاربــردی (IUPAC) مواد نانومتخلخــل را براســاس اندازه حفره به صورت زیــر نام گذاری کرده است:
• میکرو متخلخل: دارای حفره هایی با قطر کمتر از 2 نانومتر
• مزومتخلخل: دارای حفره هایی با قطر 2 تا 50 نانومتر
• ماکرو متخلخل: دارای حفره هایی با قطر بیشتر از 50 نانومتر
مــواد نانومتخلخل دارای حفره هایی در ابعاد نانو هســتند و حجم زیادی از ساختار آن ها را فضای خالی تشکیل می دهد. نسبت سطح بــه حجم (ســطح ویــژه) بســیار بــالا، نفوذپذیری یــا تراوایــی زیاد، ، گزینش پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی های مهم آن هــا اســت. با توجه به ویژگی های ســاختاری، این مــواد به عنوان تبادل گر یونی، جدا کننده ،کاتالیزور، حســگر، غشــا و مواد عایق استفاده می شوند.
چالش های اصلی در پژوهش های مواد نانومتخلخل از جمله مواد کربنی نانومتخلخل های ساختار، شامل فهم ویژگی های ساختار و بهینــه کــردن طراحی آن هــا بــرای کاربردهای مختلف اســت. این مواد کاربردهای بسیار گسترده و ارزشمندی دارند (شکل 7).

باتری های لیتیوم-اکسیژن منابع جدیدی برای تولید الکتریسیته هستند که در آن ها از اکسیژن موجود در جو که درون الکترودهای کربنی متخلخل به دام افتاده برای تولید انرژی اســتفاده می شود. ایــن باتری هــا بســیار ســبک تر از باتــری لیتیــوم معمولــی هســتند، بنابرایــن بــرای اســتفاده در حوزه هــای مختلــف نظیــر خودروهای برقی بسیار ایدئال هســتند. با این حال هنوز چالش های متعددی در مســیر اســتفاده از ایــن باتری هــا وجــود دارد بــرای مثــال تولیــد پراکســید لیتیوم نامحلــول یکی از محصولات جانبی ناخواســته در طــول کارکرد این باتری اســت. پراکســید لیتیــوم در الکترود کربنی تولیــد شــده و موجــب متوقف شــدن فعالیــت باتری می شــود. این اتفاق بعد از چند بار شارژ/دشارژ رخ می دهد.
اخیــرا باتری های لیتیوم-هــوا به عنــوان امیدوارکننده‌ترین نامزد برای خودروهای الکتریکی پیشــنهاد شده اند. چون چگالی انرژی آن‌ها5 تا 10 برابر بیشــتر از باتری های یون – لیتیوم موجود اســت. نمایکلی این باتری در شکل 8 نمایش داده شــده است. چگالی انرژی ویژه تئوری برای باتری لیتیوم – هوا برابر 5200 wh/kg است (درحالی که برای باتری یون لیتیوم wh/kg 150 است).

برخــی مزایــای کربن هــای نانومتخلخــل بــرای الکترود هــوا برای باتری لیتیوم – هوا شامل موارد زیر است:
الکترولیــت مایــع درون ســاختار حفــرات از طریــق کانال هــا نفوذ می کنــد و ایــن کانال هــا ســرعت انتقــال یون هــای لیتیــوم را بهبــود می بخشند. این کانال ها همچنین از تغییر حجم در اثر فرایند شارژدشارژ جلوگیری می کنند و استحکام ساختاری را افزایش می دهند.
کربن هــای نانومتخلخــل باعــث افزایــش رســانایی الکتریکــی و یونــی می شــوند و مقاومــت داخلــی باتــری لیتیوم-هــوا را کاهش می دهند و بنابراین عملکرد خوبی بر جای می گذارند.
کربن هــای نانومتخلخــل باعث افزایش ســطح تمــاس الکترود بــا الکترولیــت می شــوند و بنابرایــن طــول مســیر یون هــای لیتیوم را کاهــش می دهنــد. همچنیــن ســرعت نفــوذ یون هــای لیتیــوم و الکتــرون را افزایــش می دهنــد و بنابرایــن عملکرد الکتروشــیمیایی خوبی را بر جای خواهند گذاشت.

فــراوری نانوپــودر اکســید ســرب فوق ریــز جهــت کاربــرد در باتری های اسیدی

یکــی از نانــوذرات اکســیدی کــه امــروزه موردتوجــه قــرار گرفتــه، نانوذرات اکسید سرب است که دارای خواص نوری، ذخیره انرژی و کاتالیزوری منحصربه فرد و متفاوت از خواص متناظر ذرات فلزی است. خواص این نوع اکسید به اندازه ذرات، شکل آن ها و ترکیب درصد هر یک از عناصر در ساختار اکسید و سینتیک فراینــد تولیــد بســتگی دارد. روش سونوشــیمیایی بــرای فراوری نانومواد با توجه به آســان بودن یکی از مطلوب ترین روش های فراوری نانوذرات اکســید ســرب اســت کــه در عیــن ســادگی روش، بهتریــن و مطلوب ترین نتیجه را خواهد داشت. نتایج مطلوب به دســت آمده مربــوط به انــدازه، مورفولــوژی، فاز و ســاختار مواد فراوری شده است. اندازه کریستال در آن حدود 6 nm تا 11 nm و سایز این ذرات با توجه به میانگین اندازه ذرات 7-20 nm اســت که آنها را در زمره ذرات اکسید سرب فوق ریز که قطر ذرات در آنها کمتر از 50 nm است قرار می‌دهد. فازهای به دست آمده از فراوری انجام شده از پرکاربردترین و مهم ترین فازهـای اکسـید سرب هستند.

4- محصولات صنعتی

در کشور ایـــران، چندین پــژوهــش تحقیقاتی در زمینه باتری های قابل شارژ انجام شده و مقالاتی در این زمینه انتشار یافته است و محصول تجاری در زمینه باتری های قابل شارژ توسط شرکت تولیدی مواد شیمیایی نانوشیمی نوین ایرانیان تحت عنوان اکسپندر بــاتــری تولید شــده اســـت. ایــن محصول بــه عــنــوان اکــســپــنــدر بــاتــری ســرب-اســیــد حــاوی نانوذرات معرفی می شود.

باتری خودرو یک باتری قابل شــارژ است که جریان الکتریکــی را برای یک وســیله نقلیــه موتوری تأمین می کنــد. در طــول ســال هایی کــه محققــان عملکرد باتــری را بهینه کرده اند، دغدغه اصلــی کار با باتری تأمین نیرو، تماس پیوسته و برهم کنش واکنش گرها با مواد الکترود و الکترولیت اســت. این امر به تأمین مقــدار کافــی اســید، مواد فعال با مســاحت ســطحی بــالا، تماس خوب بین ذرات مواد فعال (به طور ویژه در ورقه هــای مثبــت که تمایــل به انبســاط در طول چرخه شارژ- دشارژ دارند) و به حداقل رساندن اثرات عایــق PbSO4 نیازمنــد اســت. مهم تریــن دغدغــه، محدودیت باتری سرب-اســید اســت که به واســطه واکنــش پایه بین الکترودهای مثبــت و منفی اتفاق می افتــد و مانــع انتقــال ســریع الکتــرون می شــود. نانوذرات به دلیل مســاحت سطحی زیاد و در نتیجه مساحت تماس بالاتر الکترود/الکترولیت، میزان بالاتری از شارژ/دشارژ را نشان داده و مسیر کوتاهی برای انتقال سریع بار ایجاد می کنند. این محصول به طور قابل توجهی بهبود در پارامترهای کیفی را در مقایسه با اکسپندرهای مرسوم نشان می دهد.
در جهان چندین شــرکت محصولاتــی مرتبط با باتری قابل شــارژ تولیــد کرده اند که در ســاخت آن هــا از فناوری نانو اســتفاده شده اســت، در جدول 3 به معرفی برخی از این محصولات پرداخته شده است.

5- خلاصه

اصلی ترین راه ذخیره انرژی الکتریکی استفاده از باتری است و باتری ثانویه نوعی از باتری است که قابلیت شارژ و استفاده مجدد را دارا است. توسعه فناوری نانو درهای جدید بســیاری را در زمینه علوم مواد و مهندسی گشوده است. این فناوری محققان را برای دست کاری و ساخت مــواد در مقیــاس نانومتر قادر ســاخته و اجــازه می دهد تا خواص انواع مواد را بهبود بخشند. با کمک فناوری نانو می توان نســل جدید باتری های قابل شارژ را تولید کرد و پارامترهــای اساســی و چالش زا نظیر هزینــه، عمر مفید، دمای کاری و میزان دانسیته انرژی را بهینه سازی کرد. در این گزارش به چندین نمونه اســتفاده از این فناوری نظیر اســتفاده از نانو فیبرهــای پلی آنیلین به عنوان کاتد در باتری قابل شــارژ روی-پلی آنیلین، استفاده از کربن با ساختار نانو متخلخل به عنوان الکترود باتری قابل شارژ لیتیوم-هوا و فراوری نانوپودر اکسید سرب فوق ریز برای کاربرد در باتری‌های اسیدی اشاره و بهبود عملکرد این باتری‌ها به کمک فناوری نانو بیان شده است.

 

منبع: نانو ایران