باتریهای لیتیوم سولفور(قسمت اول)

اهمیت باتری لیتیوم سولفور

مقدمه:

از زمان قدیم، توجه بشر بر روی انرژی بسیار زیاد بوده و همیشه سعی بر این بود که بهترین و پربازده ترین روش برای تولید انرژی به کار رود و در این راستا ذخیره انرژی به یکی از مهمترین و پرچالش ترین موضوعات بشر تبدیل شده است که همواره انسان به دنبال بهترین گزینه برای ذخیره ی انرژی بوده و همچنان ادامه دارد. سولفور یکی از گزینه های بسیار خوب برای ذخیره ی انرژی در باتری می‌باشد که در چند سال اخیر، توجه بسیاری از دانشمندان را به خود منعطف کرده است.

کاتد های رایج باتری لیتیوم یون:

تحقیقات بسیار زیادی بر روی انواع مواد موجود در طبیعت انجام شده است تا بهترین کاتدها برای باتری‌ها انتخاب گردد. همان طور که میدانیم، کاتد یکی از مهمترین قسمت های باتری است که نسبت به آند، محدودیت بیشتری را بر باتری تحمیل می‌کند. در کل، کاتد ماده‌ای است که ولتاژ آن از آند بیشتر است و در هنگام دشارژ، از یون لیتیوم پر شده و در فرایند شارژ، یون های لیتیوم به سمت آند برمی‌گردند.

به دلیل خود به خودی بودن فرایند دشارژ، ولتاژ کاتد باید از آند بیشتر باشد تا یون های لیتیوم بدون اعمال نیرو، به سمت کاتد بروند. هر چه این اختلاف ولتاژ بین کاتد و آند بیشتر باشد، میتوان انتظار داشت که باتری انرژی بیشتری را در حالت جریان برابر، به مدار تحویر می‌دهد. به عبارت دیگر این اختلاف ولتاژ، نقش یک عامل محرکه ذاتی را بازی می‌کند تا میزان انرژی انتقالی به خارج از باتری بیشتر شود.

مطابق شکل 1-1، محدوده ولتاژ کاتد های معمول نزدیک به 4 ولت است (نسبت به ولتاژ Li/Li+) که یک ولتاژ بسیار خوب برای باتریست. همان طور که انتظار میرفت، ولتاژ آند های معمول نیز نزدیک به صفر ولت است که با انتخاب آند و کاتد دلخواه، ولتاژی متناسب با مواد انتخابی، به باتری نسبت داده می‌شود. همانطور که ذکر شد، در باتری های معمولی، کاتد محدودیت بیشتری را نسبت به آند، بر باتری تحمیل می‌کند که این نکته در شکل 1-1 به خوبی نشان داده شده است. در این شکل ملاحظه می‌شود که ظرفیت کاتدها نسبت به آندها کمتر است و این کاتدهای معمول، ظرفیتی در محدوده‌ی 200 Ah/kg دارند که ظرفیت نسبتا کمی است در حالی که آندها، رنج بسیار وسیع‌تری از ظرفیت را، پوشش می‌دهند.

همان طور که در شکل مشخص است، ظرفیت فلز لیتیوم بسیار زیاد است و علاوه بر این ظرفیت بسیار بالا، ولتاژ بسیار خوبی را فراهم میکند که برای باتری های لیتیوم یون، این آند بر خلاف مشکلات زیاد خود یک گزینه ی بسیار مناسب است که با تحقیقاتی که امروزه در حال انجام است میتوان این مشکلات را بر طرف کرد.

کاتد سولفور:

همانطور که اشاره شد، کاتد های معمول ما به دلیل محدودیت در ظرفیت، گزینه ی مناسبی برای باتری های با ظرفیت بالا نیستند و باید یک کاتد با ظرفیت بسیار مناسب وجود داشته باشد که بتواند این محدودیت را رفع کند. سولفور، گزینه بسیار مناسبی است که میتواند این مشکل عمده را به راحتی حل کند. شکل1-2 گویای این نکته است که سولفور ظرفیت فوق العاده ای نسبت به دیگر کاتدها دارد که میتواند گزینه ی بسیار خوبی برای کاتد باشد. در این شکل مشاهده می‌شود که ظرفیت تئوری سولفور نزدیک به 1500Ah/kg است که میتوان فهمید که نسبت به دیگر کاتدها، ظرفیت را بسیار بهبود می بخشد.

شکل 1-2 گویای این نکته است که ولتاژ نسبت داده شده به سولفور در مقایسه با دیگر کاتدها، کمتر است و این مقدار نزدیک به 2 ولت است که به نظر میرسد این یک مشکل جدی برای سولفور باشد اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی میتوان با استفاده از مدارهای افزایش دهنده ولتاژ، بر این مشکل چیره شد و میتوان انتظار داشت که ولتاژ کم، مسئله ی جدی برای ما نخواهد بود.

سولفور علیرغم داشتن ظرفیت بالا، با مشکلاتی همراه است که در فصل های بعد به این مشکلات اشاره می‌شود و می‌بینیم که دانشمتدان چگونه بر این مشکلات فائق می آیند. همچنین این شکل، بیان می دارد که کاتد از جنس اکسیژن توانایی غلبه بر سولفور را از هر لحاظ را دارد زیرا اکسیژن علاوه بر ظرفیت تئوری بالاتر خود، ولتاژ بهتری را به باتری نسبت می‌دهد و میتوان انتظار داشت که باتری های بر پایه‌ی اکسیژن، نسل بعدی باتری‌ها خواهد بود.

مقایسه باتری لیتیوم سولفور با دیگر باتری‌ها:

پارامترهای بسیاری برای انتخاب یک باتری وجود دارد که برای ساخت یک باتری نیز این پارامترها به شدت بر انتخاب مواد به کار رفته در یک باتری، دخالت دارد. از جمله‌ی این پارامترها، میزان انرژی ذخیره شده و مقدار توان تحویلی به مدار است که با تغییر در ساختار ادوات انرژی، میتوانیم این پارامترها را تغییر دهیم. به عنوان مثال، ادوات انرژی ابرخازن‌، توان بسیار بیشتری را به مدار تحویل می‌دهند اما این ادوات، انرژی کمتری را نسبت به باتری ها در اختیار ما می‌گذارند.

شکل 1-3 یک مقایسه‌ی کلی بین ادوات انرژی را نشان می‌دهد که این نمودار بر پایه‌ی انرژی تحویلی به مدار بر حسب توان ذخیره شده است که مطابق با شکل هرچه توان بیشتر باشد، ماهیت افزاره‌ی انرژی، به سمت ابرخازن پیش می‌رود و انرژی تحویلی آن کمتر می‌شود.

در این شکل، ادوات مختلف انرژی از جمله باتریها، ابرخازن‌ها و پیل‌های سوختی با یکدیگر مقایسه شده‌اند که در این شکل، جایگاه باتری‌های لیتیوم سولفور بالاتر از باتری‌های لیتیوم یون است که نشان می‌دهد که انرژی باتری‌های لیتیوم سولفور از اکثر باتری‌های موجود در بازار بیشتر است و حتی توان آن نیز قابل مقایسه با دیگر باتری‌هاست.

در این شکل ملاحظه می‌شود که انرژی باتری های لیتیوم سولفور حتی از پیل‌های سوختی نیز میتواند بیشتر شود در حالی که توان آن در حد یک باتری خوب است که این بدین معناست که توان بالا و انرژی بالا توسط باتری‌های لیتیوم سولفور قابل تامین است و خود یک پیشرفت بسیار عالی در زمینه ادوات انرژی محسوب می‌شود. هر چه به سمت جلوتر پیش می‌رویم، باتری‌های با کیفیت بالاتر و انرژی زیادتر و توان بیشتر مورد نیاز بشر خواهد بود که سولفور یک گزینه‌ی بسیار خوب و قابل اعتماد است.

شکل 1-4 نیز یک مقایسه اجمالی برای انواع باتری را نشان می‌دهد که در این شکل میتوان دید که تنها باتری‌های از جنس هوا هستند که انرژی جرمی بالاتری نسبت به باتری لیتیوم سولفور دارند. همچنین در این شکل انرژی حجمی باتری‌های مختلف نیز با یکدیگر مقایسه شده است که با توجه به این مقایسه میتوان گفت که باتری‌های لیتیوم سولفور انرژی حجمی خوبی نسبت به باتری‌های دیگر ندارند.

این مشکل را شاید بتوان با انرژی جرمی بالای آن‌ها نادیده گرفت هرچند که در بعضی کاربردها، حجم، مسئله‌ی کم اهمیت‌تری نسبت به جرم است به عنوان مثال در اتومبیل‌های الکتریکی، جرم باتری یک معضل بسیار بزرگ برای خودرو به حساب می‌آید که میتوان نتیجه گرفت که باتری‌های لیتیوم سولفور، برای ماشین‌های الکتریکی گزینه‌ی بسیار مناسبی محسوب می‌شود.

ذکر این نکته خالی از لطف نیست که باتری‌های بر پایه اکسیژن، انرژی خیره کننده‌ای را چه در واحد حجم و چه در واحد جرم از خود نشان می‌دهند که این باتری‌ها فعلا در مراحل اولیه تحقیقات به سر می‌برند و میتوان نتیجه گرفت که باتری‌ههای لیتیوم سولفور فعلا بهترین گزینه برای کاربرد‌های صنعتی خواهند بود.

شکل 1-5 نیز مقایسه بین باتری‌های لیتیوم یون معمول را با باتری‌های لیتیوم سولفور نشان می‌دهد که این شکل، این نکته را بیان می‌دارد که باتری‌های لیتیوم سولفور، واقعا ارزش سرمایه گذاری را دارند تا به صنعت راه پیدا کنند. همچنین این شکل به ما میگوید که هر چند ولتاژ باتری‌های لیتیوم سولفور تقریبا نصف باتریهای لیتیوم یون معمول است اما ظرفیت خیره کننده و انرژی بسیار بالای آن، تحقیقات را به سمت این باتری سوق می‌دهد و همان طور که قبلا اشاره شد، ولتاژ پایین، محدودیت جدی برای ما فراهم نمی‌آورد و میتوان از این جهت با خیال راحت بر روی این باتری‌ها تحقیق کرد.

در نهایت با شکل1-6 این قسمت را به پایان می‌رسانیم که این شکل، باتری‌های مختلف را با سه پارامتر ولتاژ، ظرفیت و انرژی با یکدیگر مقایسه می‌کند که این شکل گویای همه نکات قبلی است و از پرداختن دوباره به این نکات پرهیز می‌شود. مطابق این شکل، میتوان دید که باتری‌های دیگرِ بر پایه‌ی سولفور، از جمله باتریهای آلومینیوم سولفور و سدیم سولفور، بسیار جذاب هستند و برای تحقیقات بسیار مناسبند که احتمالا در آینده‌ی نه چندان دور، شاهد پیشرفت این قبیل از باتری‌ها خواهیم بود.

مقایسه میزان فراوانی:

یکی از پارامترهای بسیار مهم در ساخت باتری، قیمت تمام شده‌ برای هر باتری است که این قیمت وابستگی شدیدی به میزان فراوانی مواد به کار رفته در باتری دارد و هر چه مواد به کار رفته در باتری، در پوسته‌ی زمین بیشتر باشد، میتوان انتظار داشت که قیمت تمام شده برای یک باتری کاهش میابد. به عنوان مثال جذابیت باتری‌های سدیم یون به این دلیل است که سدیم به شدت ارزان‌تر از لیتیوم بوده و این ارزان بودن به دلیل میزان فراوانی بسیار بیشتر سدیم نسبت به لیتیوم است.

شکل 1-7، میزان فراوانی عنصرهای مختلف را نشان میدهد که سولفور در بین موادی قرار دارد که درصد فراوانی آن‌ها نسبت به بقیه‌ی مواد بیشتر است. در این شکل مشاهده می‌شود که مقدار سولفور از موادی مانند کبالت، مس، نیکل و وانادیم بیشتر است که مواد نام برده شده، در ساختار کاتد های معمول، زیاد مشاهده می‌شود. پس میتوان این نکته را ذکر کرد که قیمت تمام شده برای باتری‌های لیتیوم سولفور میتواند کمتر از بقیه باتری‌های بر پایه‌ی لیتیوم باشد.