مانند هر قهرمانی که بیش از حد در صدر میماند، باتری لیتیوم-یون (Lithium-ion) نیز در حال رکود است. در طول دههها که باتری انتخابی در هر چیزی از گوشیهای هوشمند گرفته تا خودروهای برقی و پهپادها بوده است، طراحی آن بارها برای بهبود چگالی انرژی و عملکرد آن تغییر یافته است. اما به گفته برخی دانشمندان، این پیشرفتها در حال نزدیک شدن به محدودیتهای نظری خود هستند. حتی بهترین مدلها نیز در سرما مستعد از کار افتادن، از دست دادن سریع ظرفیت یا – همانطور که در مورد دستگاههای خانگی صادق است – خود به خود آتش گرفتن هستند.
در عین حال، تقاضا برای باتریها هرگز اینقدر زیاد نبوده است. انتظار میرود 30 درصد از خودروهای فروخته شده در سال 2026، خودروهای برقی (EVs) باشند که برای تأمین انرژی به باتریها متکی هستند. سال گذشته، خانهها و مشاغل آمریکایی رکورد جدیدی از نصب باتریهای بزرگ را ثبت کردند. طبق گزارش Wood Mackenzie، یک شرکت مشاوره، تا پایان این دهه، نصب و راهاندازی میتواند تقریباً 40 درصد افزایش یابد. به شدت به رقبای شایسته نیاز است.
پیشرفتها در علم مواد بالاخره برخی از این چالشها را قابل دستیابی کرده است. سازندگان باتری در حال اصلاح مواد موجود و ایجاد ترکیبهای جدید برای طراحی باتریهایی هستند که انرژی بیشتری ذخیره میکنند و در عین حال ایمنتر و پایدارتر از هر چیزی هستند که امروز در بازار موجود است. تاج باتری لیتیوم-یون ممکن است به دست رقبای جدید بیفتد.
باتریهای حالت جامد (Solid-state batteries) از هیجانانگیزترین جایگزینها هستند. هنگامی که یک باتری لیتیوم-یون معمولی شارژ میشود، یونهای لیتیوم از کاتد به آند مهاجرت میکنند؛ هنگامی که دشارژ میشود، باز میگردند. محیطی که یونها در آن حرکت میکنند، الکترولیت نامیده میشود که معمولاً یک حلال آلی قابل اشتعال است که تمام اجزای باتری را در بر گرفته است. اما در باتریهای حالت جامد، آند، کاتد و الکترولیت به صورت ورقههایی فشرده شدهاند. این بدان معناست که مواد رساناتر میتوانند در فضای مشابهی جای بگیرند که امکان چگالی انرژی تا 500 واتساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) را فراهم میکند، در مقایسه با حدود 300 واتساعت بر کیلوگرم برای الکترولیتهای مایع. همچنین احتمال احتراق آنها کمتر است.
اگرچه باتریهای حالت جامد برای دههها مورد مطالعه قرار گرفتهاند، محققان تاکنون فقط توانستهاند نسخههای بسیار کوچکی را برای استفاده در دستگاههایی مانند ایمپلنتهای پزشکی بسازند. مهمترین مانع برای مقیاسبندی آنها شکنندگی است. هنگامی که سلولها شارژ و دشارژ میشوند، یونها به طور مکرر در ماده الکترود نفوذ میکنند. این باعث انبساط و انقباض باتری میشود و حفرههایی بین اجزا ایجاد میکند که میتواند منجر به ترک خوردگی و تغییر شکل شود. این امر سرعت یونها را کاهش داده و عملکرد باتری را تخریب میکند.
در ژانویه، محققان مؤسسه فناوریهای پیشرفته شنژن، بخشی از آکادمی علوم چین، گام بزرگی برای غلبه بر مشکل شکنندگی برداشتند. آنها یک ماده الکترولیت با عملکرد بالا را با قرار دادن متناوب لایههای سرامیکی با ضخامت 1-100 نانومتر بر روی ورقههای پلیمری با ضخامت مشابه ایجاد کردند. سپس این پشته به صورت عمود بر سطح الکترودها قرار داده شد، مانند یک کیک لایهای که به پهلو قرار گرفته است. سرامیک به تنهایی یک رسانای خوب است اما مستعد ترک خوردگی است. پلیمر نیز منعطف است اما رسانای ضعیفی است. این ترکیب به یونها اجازه داد تا به نرمی بهترین الکترولیتهای حالت جامد موجود جریان یابند، اما با تمایل بسیار کمتری به ترک خوردگی.
موارد دیگری نیز وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. با شارژ و دشارژ شدن باتریها، بلورهای سیمی شکلی به نام دندریت میتوانند روی سطح الکترودها رشد کنند که منجر به ترک خوردگی و در نهایت اتصال کوتاه میشود. دانشمندان مدتها بر این باور بودند که این پدیدهها زمانی رخ میدهند که یونهای لیتیوم اضافی از کاتد روی سطح آند تجمع مییابند (به جای جذب شدن). مواد الکترود قویتر، که در برابر ترک خوردگی مقاومت میکنند، یک راهحل آشکار است. اما در مقالهای که در ماه مارس منتشر شد، تیمی به سرپرستی محققان موسسه فناوری ماساچوست نتیجه گرفت که این درک نادرست بوده است. آنها گفتند که در عوض، دندریتها زمانی رشد میکنند که واکنشهای شیمیایی خواص الکترود را تغییر داده و باعث تضعیف آنها میشوند. این نشان میدهد که دانشمندان باید به دنبال الکترودهایی با پایداری شیمیایی بیشتر باشند، نه فقط استحکام.
علم مواد همچنین میتواند باتریهای حالت جامد را سریعتر کند. در الکترولیتهای پلیمری معمولی، یونها تنها با سرعتی که بخشهای پلیمری اطراف اجازه میدهند، میتوانند حرکت کنند. گروهی در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی، بخشی از وزارت انرژی آمریکا، راهی برای جداسازی این دو مجموعه حرکت پیدا کردند. آنها این کار را با افزودن ترکیبات شیمیایی به نام زویترایون (zwitterions) به بخشهای پلیمری که معمولاً رساناهای ضعیفی هستند، به دست آوردند. اگرچه زویترایونها مولکولهای خنثی هستند، اما دارای مناطق شارژ شدهای هستند که میتوانند به یونها سرعت ببخشند. نتایج تیم نشان داد که این پیکربندی میتواند یونها را تا 10 میلیارد برابر سریعتر از طریق الکترولیت حرکت دهد. آزمایشهای آینده نشان خواهد داد که این پیکربندی در یک سلول چگونه عمل میکند.
مقابله با عناصر
یکی از مزایای قابل توجه الکترولیتهای حالت جامد این است که راه را برای موادی غیر از لیتیوم باز میکنند. باتریهای سدیم-یون (Sodium-ion batteries) که لیتیوم موجود در کاتد را با سدیم جایگزین میکنند، بسیار جذاب هستند. سدیم نه تنها ارزانتر و پایدارتر از لیتیوم است، بلکه 1000 برابر بیشتر در پوسته زمین یافت میشود. متاسفانه، اتمهای سدیم بزرگتر و سنگینتر از اتمهای لیتیوم هستند، به این معنی که بعید است در الکترودهای گرافیتی معمولی قرار بگیرند. در حال حاضر، نتیجه یک باتری سنگینتر است که انرژی کمتری را میتواند ذخیره کند. اگرچه الکترودهای بهتر میتوانند اوضاع را بهبود بخشند – به عنوان مثال، کربن سخت که قادر به جذب یونهای سدیم در ساختار اسفنجی خود است، عملکرد بهتری نسبت به گرافیت دارد – اما هنوز الکترولیتهای مایع مناسبی یافت نشدهاند.
کار با یک الکترولیت جامد آسانتر خواهد بود. به عنوان مثال، کاهش خطر تشکیل دندریت در باتریهای حالت جامد، اجازه میدهد تا آندها از فلز سدیم بسیار واکنشپذیر ساخته شوند. این امر به آنها اجازه میدهد تا انرژی بیشتری در هر کیلوگرم ذخیره کنند که در حال حاضر امکانپذیر نیست. در حالی که یک باتری با آند کربن سخت دارای چگالی انرژی در حدود 175 واتساعت بر کیلوگرم است، آندهای فلز سدیم میتوانند چگالیهایی نزدیک به 500 واتساعت بر کیلوگرم را امکانپذیر سازند.
برای افزایش بیشتر ظرفیت باتری سدیم-یون حالت جامد، محققان در حال آزمایش حذف کامل آند هستند. این کار فضایی برای یک کاتد ضخیمتر ایجاد میکند که میتواند با سدیم بیشتری پر شود و به نوبه خود میزان انرژی قابل ذخیره در باتری را افزایش دهد. حذف آند لزوماً برای عملکرد باتری کشنده نیست. در حین شارژ، یونهای سدیم از کاتد به یک جزء دیگر باتری که به آن جمعکننده جریان (current collector) گفته میشود، حرکت میکنند و در آنجا تا زمان دشارژ شدن تجمع مییابند. در واقع، یک آند با عملکرد باتری ایجاد میشود.
شیرلی منگ، دانشمند مواد در دانشگاه شیکاگو میگوید سرعت سرسامآور پیشرفت محصول یک رقابت واقعاً جهانی برای تولید بهترین طراحی حالت جامد است. این رقابت همچنین میتواند انقلابی در نحوه ساخت باتریها ایجاد کند. در حال حاضر باتریهایی با الکترولیتهای مایع با غوطهور کردن الکترودها در مخازن حلالها و استفاده از مقادیر زیادی انرژی برای خشک کردن آنها ساخته میشوند. باتریهای حالت جامد که به این روش ساخته میشوند، ریزحفرههایی را روی سطوح خود ایجاد میکنند که احتمال خرابی را افزایش میدهد. ساخت الکترودهای ضخیمتر نیز دشوارتر است زیرا به طور ناهموار خشک میشوند.
بنابراین، تولید الکترود خشک – که در آن پودرهای خشک برای تشکیل باتریهای جامد به هم فشرده میشوند – به طور فزایندهای جدی گرفته میشود. آزمایشها نشان دادهاند که این روش مصرف انرژی را حدود نصف و هزینههای تولید را حدود یک پنجم کاهش میدهد، در حالی که عملکرد کلی باتریها را نیز بهبود میبخشد. بسیاری از شرکتها، از جمله تسلا (Tesla)، سازنده باتری و خودروهای برقی، و الجی انرژی سلوشن (LG Energy Solution)، تولیدکننده باتری کرهای، در حال رقابت برای اولین بودن در تکمیل این فناوری هستند.
تمایز بین تبلیغات و واقعیت آسان نیست. اما پیشرفتهای اخیر به این معنی است که وعدههای بلندپروازانه ممکن است محقق شوند. شرکت Contemporary Amperex Technology چین، بزرگترین تولیدکننده باتری در جهان، اعلام کرده است که تا سال 2027 باتریهای حالت جامد تولید خواهد کرد و قصد دارد اولین خودروی برقی سدیم-یون را تا اواسط امسال عرضه کند. سامسونگ (Samsung)، یک شرکت الکترونیکی کرهای، اعلام کرده است که تا سال 2027 باتریهای حالت جامد را به تولید انبوه خواهد رساند، در حالی که تویوتا (Toyota)، خودروساز ژاپنی، نیز تعهدی مشابه داده است. شرکت فورد موتورز (Ford Motors)، یک خودروساز آمریکایی، این ماه واحد تولید باتری خود را راهاندازی کرد و قصد دارد تا سال آینده باتریهای در مقیاس بزرگ را برای مراکز داده و مشاغل صنعتی تحویل دهد. در کسب و کار تولید باتری، اینها زمانهای هیجانانگیزی هستند.