باتری‌های آلومینیومی نوید ظرفیت‌بالا، سرعت شارژ زیاد و قیمت ارزان‌تر را می‌دهند

یکی از کنایه‌های کلاسیک حوزه‌ی فناوری این است که شرکت‌ها معمولاً مجبور می‌شوند بین سه ویژگی سرعت، عملکرد خوب و قیمت ارزان، خود را فقط به دومورد آن محدود کنند و وقتی صحبت از فناوری باتری به‌میان آید، پذیرش میان این سه قابلیت کمی چالش‌ برانگیزتر خواهد بود. ارزان بودن و سرعت بالای شارژ اهمیت زیادی دارد اما عملکرد خوب می‌تواند معانی متفاوتی داشته باشد؛ مثلا وزن کم، حجم کم یا طول عمر بیشتر با توجه به نیاز سازندگان تجهیزات الکترونیکی باتری‌محور، می‌تواند به‌عنوان عملکرد خوب ارزیابی شود. اگر می‌خواهید سرعت شارژ بالایی دریافت کنید، احتمالاً باید ظرفیت باتری را محدود سازید.

محدود کردن یک قابلیت برای تقویت قابلیت دیگر، در باتری‌های لیتیومی، باعث ادامه‌ی مسیر تحقیقات درمورد مواد شیمیایی دیگر و باتری‌های جایگزین شده است و هنوز این امید وجود دارد که برخی مواد دیگر بتوانند علاوه‌بر کاهش شدید قیمت، ظرفیت باتری‌ها را ارتقا داده و برخی معیارهای عملکرد آن را نیز بهبود بخشند.

مقاله‌ی جدیدی منتشر شده است که نشان می‌دهد فناوری جدید باتری می‌تواند علاوه‌بر کاهش قیمت، سایر ویژگی‌های آن را نیز ارتقا دهد. باتری‌های آلومینیوم-گوگردی، نشان می‌دهند که مواد خام موردنیاز برای تولید آن‌ها ارزان است و نسبت به نمونه‌های لیتیومی ابعاد کوچک‌تری خواهند داشت. البته یکی از مهم‌ترین ویژگی باتری‌های جدید آلومینیومی این است که می‌توان سلول‌های آن را در کمتر از یک دقیقه به‌طور کامل شارژ کرد. یکی از مشکلات واضحی که درحال‌حاضر درمورد این تکنولوژی وجود دارد این است برای عملکرد صحیح نیاز به دمای ۹۰ درجه‌ی سانتی‌گراد دارد.

آیا آلومینیوم می‌تواند به تولید باتری‌های آینده کمک کند؟

محققان از مدت‌ها قبل به‌دلیل ظرفیت تئوری بالای باتری‌های مبتنی‌بر آلومینیوم، به آن فکر می‌کنند. درحالی‌که هر اتم این فلز، کمی سنگین‌تر از لیتیوم است، اما اتم‌ها و یون‌های آن ازنظر فیزیکی کوچک‌تر هستند، زیرا بار مثبت بیشتر هسته، الکترون‌های آن را کمی به سمت خود می‌کشد. علاوه‌براین، آلومینیوم به‌آسانی درازای هر اتم، سه الکترون ازخود جدا می‌کند و این یعنی می‌توانید بار زیادی با هر یون درگیر، جابه‌جا کنید.

به‌نوشته‌ی ArsTechnica، یکی از مشکلات مهم درمورد فناوری باتری‌های آلومینیومی این است که ازنظر شیمیایی، خواص مختلفی دارد. به‌عنوان مثال بسیاری از ترکیبات آلومینیومی به‌شدت نامحلول در آب هستند و اکسیدهای آن‌ها به‌شدت پایدار است. ایجاد مشکل در عملکرد باتری پس از چند چرخه‌ی شارژ و دیس‌شارژ برای چیزی که باید صرفاً یک واکنش جانبی جزئی باشد، به‌سادگی رخ می‌دهد؛ بنابراین درحالی‌که کار روی توسعه‌ی این نوع باتری‌ها ادامه می‌یابد، ظرفیت‌های نظری بالا اغلب هرگز درعمل محقق نمی‌شوند.

کلید کار جدید این بود که محققان متوجه شوند یکی از مشکلات بزرگ ساخت یک الکترود فلزی آلومینیومی را حل کرده‌اند؛ آن‌ها این کار را در زمینه‌ای کاملاً متفاوت انجام داده بودند. الکترودهای فلزی خالص، استفاده‌ی آسان‌تر و حجم بالاتری ارائه می‌دهند زیرا هیچ ماده‌ی شیمیایی واقعی در آن دخیل نیست و برای پرکردن یون‌های فلزی به مواد اضافه نیاز ندارند. اما فلز تمایل دارد به‌طور ناموزون روی الکترودهای باتری رسوب کند و درنهایت خارهایی به‌نام دندریت تولید خواهد کرد که این خارها تا زمانی‌که به سایر اجزای باتری آسیب نرساند یا سلول را به‌طور کامل پر نکنند، به‌رشد خود ادامه خواهند داد. بنابراین، کشف چگونگی رسوب یک‌نواخت فلز یک مانع بزرگ در مسیر توسعه‌ی این نوع باتری بوده است.

درک کلیدی دراینجا این است که ما از قبل می‌دانیم چگونه آلومینیوم را به‌طور یک‌نواخت رسوب دهیم. درواقع ما همیشه وقتی می‌خواهیم این فلز را روی فلز دیگری آبکاری کنیم دقیقاً 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 و حجم فیزیکی بقیه زنجیره انجام این کار را روی سطح صاف آسان‌تر می‌کند.

در داخل نمک مذاب، یون‌های آلومینیوم می‌توانند به‌سرعت از یک الکترود به الکترود دیگر حرکت کنند. مشکل بزرگ این است که آلومینیوم فقط در دمای ۱۹۲ درجه‌ی سانتی‌گراد ذوب می‌شود. اما مخلوط کردن مقداری کلرید سدیم و کلرید پتاسیم این دما را به ۹۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش می‌دهد که کمی زیر نقطه‌ی جوش آب بوده و با طیف وسیع‌تری از مواد اضافه سازگاری دارد.

ترکیب نمک

در این مرحله باتری شامل یک الکترود فلز آلومینیوم و الکترولیت کلرید آلومینیوم مایع است که باعث می‌شود الکترود دوم شناسایی شود. در این‌جا، نمونه‌های زیادی از ذخیره‌ی آلومینیوم به‌عنوان یک ترکیب شیمیایی با عناصر زیر اکسیژن در جدول تناوبی مثل گوگرد یا سلنیوم وجود دارد. تیم محقق برای اهداف تصویربرداری، با سلنیوم کار کرد و یک سلول باتری آزمایشی ساخت که نتیجه‌ی آن کاملاً مطابق انتظار پیش رفت.

تصویربرداری از آلومینیوم نشان داد که پس از چند چرخه‌ی شارژ و دیس‌شارژ تاحدودی مسدود شده بود اما هیچ پسوند بزرگ یا نوک تیزی از آن خارج نمی‌شد که بتواند به باتری آسیب برساند. به‌طور کلی، سلول عملکرد پایداری را در ده‌ها چرخه‌ و نوع ظرفیت بالایی درهر وزن که آلومینیوم باید ارائه کند، نشان داد. بنابراین تیم به ساخت و آزمایش سلول‌هایی که واقعاً به آن‌ها علاقه داشت روی آورد و آن ترکیب آلومینیوم و گوگرد بود.

سلول‌های گوگرد-آلومینیومی باسرعت بسیار آهسته‌ تخلیه می‌شوند و ظرفیت شارژ آن‌ها به‌ازای هروزن، بیش از سه‌برابر باتری‌های لیتیوم-یونی بود. این رقم با افزایش نرخ شارژ و دیس‌شارژ کاهش یافت اما عملکرد آن بدون تغییر و درسطح عالی باقی ماند. اگر سلول درمدت بیش‌از دو ساعت دیس‌شارژ و تنها در ۶ دقیقه شارژ شود، بازهم ظرفیت آن به‌ازای هر وزن، ۲۵ درصد بیشتر از باتری‌های لیتیوم-یونی کنونی است. این ظرفیت تقریباً بعد از ۵۰۰ چرچه حفظ خواهد شد که بسیار فراتر از نمونه‌های لیتیومی است.

اگر زمان شارژ را به کمی بیش از یک دقیقه کاهش دهید، ظرفیت هروزن تقریباً برابر با یک باتری لیتیوم‌-یونی خواهد بود و بیش از ۸۰ درصد از این ظرفیت همچنان پس از ۲۰۰ چرخه دردسترس است. سلول باتری آلومینیوم-گوگردی حتی می‌تواند شارژ کامل را در کم‌تر از ۲۰ ثانیه تحمل کند، اگرچه در این شرایط ظرفیت هروزن تنها کمی بیش از نصف مقداری بود که از سلول‌های باتری‌های لیتیوم-یونی دریافت می‌کنید.

هشدارها

در این‌جا احتیاط‌های مهمی وجود دارد؛ یکی از این هشدارها این است که دمای باتری برای چنین عملکردی باید درحدود ۱۱۰ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد و از عایق‌بندی خوبی بهره ببرد زیرا در چنین دمایی بسیاری از اشیا ذوب خواهند شد. پس از آن، گرمای تولید‌شده درطول چرخه‌ی شارژ و دیس‌شارژ باید مدیریت شوند و درحالی‌که امکان دارد عایق کمی به بخش عمده‌ی باتری اضافه کند، می‌توانید بدون سخت‌افزار خنک‌کننده‌ای که برخی از برنامه‌های لیتیوم یونی نیاز دارند، این کار را انجام دهید.

احتیاط بزرگ‌تر این است که با هرگونه آلودگی، مواد باتری شروع به تولید سولفید هیدروژن می‌کند که هم سمی و هم بسیار قابل اشتعال است؛ بنابراین درحالی‌که این نوع باتری جدید مثل برخی از گزینه‌های لیتیوم-یونی نمی‌تواند آتش بگیرد، اگر محتویات آن با محیط تماس پیدا کند یک پنجره‌ی زمانی وجود دارد که خطر آتش‌سوزی قبل از سردشدن و جامد شدن نمک خواهد بود.

اما شارژ باتری‌های آلومینیومی درهر حجم، احتمالاً مشابه برخی از مواد شیمیایی لیتیومی موجود خواهد بود و هزینه‌های مواد خام آن‌ها تقریباً کم است. طبق اعلام محققان، این هزینه‌ها زیر ۹ دلار درهر کیلووات ساعت یا حدود ۱۵ درصد هزینه‌های موردنیاز برای نمونه‌های لیتیومی است. محققان از فویل آلومینیومی موجود در فروشگاه‌های مواد غذایی استفاده کردند و دریافتند که می‌توان از آن به‌عنوان الکترود بهره گرفت. این مورد احتمالاً اشاره دارد که تولید انبوه چنین باتری‌هایی می‌تواند همچنان با عملکرد بالای این سلول‌های دست‌ساز، سازگار باشد. درنهایت، تیم محقق اشاره می‌کند که به‌دلیل سادگی شیمی به‌کار گرفته‌شده در این نوع باتری‌ها، بازیافت آن‌ها نیز آسان‌تر خواهد شد.

آنچه گفته شد به این معنی نیست که فناوری جدید می‌تواند به‌ما اجازه دهد سریعاً به استفاده از آن روی آوریم و درواقع آن را جایگزین نسل کنونی باتری‌ها بدانیم. درحالی‌که قبلاً شرکتی برای تجاری‌سازی این فناوری راه‌اندازی شده‌ است؛ زیرساخت‌های بسیار عظیمی برای تولید باتری‌های لیتیوم-یونی وجود دارد و فناوری آن نیز دائماً درحال بهبود است. به‌هرحال اگر منابع مواد خام برای باتری‌های کنونی محدود شود، دسترسی به فناوری مبتنی‌بر مواد شیمیایی که به‌میزان فراوان دردسترس قرار دارند، می‌تواند بسیار مفید واقع شود.