تحقیق در مورد باتری شارژ سریع: داغ، فوق پیشرفته و شگفت انگیز!

از زمانی که تلفن های همراه محبوب شدند، اهمیت باتری های الکتریکی قابل شارژ در سراسر جهان به طور پیوسته در حال افزایش است. بر اساس ویکی پدیا، در سال 2013، حدود 6.8 میلیارد تلفن همراه در سراسر جهان (از جمله گوشی های هوشمند) در حال استفاده بوده است و از هر 100 نفر در جهان 97 نفر حداقل یک تلفن همراه دارند. این ارقام شامل برخی از فقیرترین افراد در میان ما می شود. در حالی که تعداد زیادی از کاربران فراتر از برقراری تماس‌های صوتی صرف (و پیام‌های متنی نادر) نمی‌روند، اما در دسترس بودن «برنامه‌ها» (یا برنامه‌های کاربردی) رایگان، عالی و با کاربری آسان، که روز به روز بر تعداد و تنوع آنها افزوده می‌شود. ، به تدریج بسیاری از این دسته را به سمت کاربران اصلی تلفن همراه جذب می کند. بسیاری از افرادی که امروزه از رایانه های شخصی به عنوان دستگاه محاسباتی اصلی خود استفاده می کنند، با آگاهی از این که رایانه های شخصی به زودی جایگاه برتر خود را در دنیای محاسبات کنار خواهند گذاشت، نیز شروع به روی آوردن به تلفن های هوشمند کرده اند. انتظار می رود این عوامل منجر به افزایش 35 درصدی تعداد کاربران گوشی های هوشمند تا سال 2020 (یا 9.2 میلیارد کاربر در سطح جهان) شود.

با نازک‌تر شدن، سبک‌تر شدن، هوشمندتر شدن گوشی‌های هوشمند، استفاده از نمایشگرهای بزرگ‌تر و غیره، آنها نیز انرژی بیشتری پیدا می‌کنند. بنابراین، برای موفقیت گوشی‌های هوشمند آینده، نیاز اساسی به باتری‌هایی با ظرفیت بالا و شارژ فوق‌العاده سریع است که ممکن است قبل از سطل زباله، بارها شارژ شوند.

کاربردهای مهم دیگری نیز وجود دارد که برای رفاه آنها به شارژ سریع باتری ها بستگی دارد. یکی از آنها صنعت خودروهای الکتریکی (EV) است. کاربران انتظار دارند زمان شارژ مجدد باتری با زمانی که برای پر کردن سوخت در پمپ بنزین امروز نیاز است، یعنی حدود 4 تا 5 دقیقه قابل مقایسه باشد. یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم در شبکه های هوشمند است – آن ایستگاه های هوشمند مدیریت برق، که در آن ورودی های برق و خروجی ها به کاربران مدیریت می شود. باتری‌هایی با ظرفیت بالا و شارژ سریع/تخلیه‌کننده برای ذخیره انرژی مازاد (هر زمان که ورودی بیش از تقاضا باشد) و در صورت کمبود آن آزاد می‌شود. با این وجود، باتری‌های شارژ سریع مورد استفاده در ساعت‌های هوشمند، خانه‌های هوشمند و دستگاه‌های سلامت شخصی (PHD) از اهمیت کمتری برخوردارند.

چند سال پیش، بدون تردید روشن شده بود که باتری‌های لیتیوم یونی (بهترین فناوری باتری در حال حاضر) برای نیازهای آینده به شدت ناکافی هستند. بین فناوری لیتیوم یون و باتری پیش‌بینی‌شده در آینده چنان شکاف گسترده‌ای وجود دارد که کاملاً آشکار شد که چیزی جز یک «جهش کوانتومی» (یا انقلاب) در فناوری باتری کافی نیست. به همین دلیل است که در حالی که هنوز در اخبار منتشر نشده بود، تحقیقات تب و تاب و دیوانه وار در بسیاری از مراکز تحقیق و توسعه برجسته دانشگاهی و شرکتی برای یافتن فناوری برتر باتری در آینده با ویژگی هایی مانند: زمان شارژ به ترتیب راه اندازی شده بود. چند دقیقه یا حتی چند ثانیه (وای!)، وزن کمتر (در مورد باتری‌های EV تا نصف کاهش می‌یابد)، ظرفیت بیشتر، ایمنی (بدون آتش‌سوزی و انفجار الکتریکی که یادآور حوادث ناگوار بوئینگ 787 2013 است! ، هزینه بسیار کمتر، حمل و نقل آسان و زمان چرخه در هزاران و ده هزار!

تصور دستیابی به یک “جهش کوانتومی” در فناوری در مدت 1-2 سال، بسیاری از جامعه علمی را در گذشته نه چندان دور مات و مبهوت رها می کرد. اما اکنون همه چیز تغییر کرده است! بشر که مرزهای دانش علمی را با جهش‌های بی‌سابقه‌ای در زمان‌های اخیر پیش برده است، محققان امروزی که در قله‌های دانش علمی نشسته‌اند، به نظر می‌رسد که راه‌حل‌های بسیار امیدوارکننده‌ای را صرف یک قطره کلاه ارائه می‌دهند!

بنابراین در اینجا مجموعه ای از امیدوارکننده ترین فناوری هایی است که در زمان نگارش این مقاله در حال تحقیق هستند. (توجه: تحقیقات باتری شارژ سریع در حال حاضر با بسیاری از فن‌آوری‌های جایگزین که برای جایگاه شماره 1 رقابت می‌کنند، پر شده است. نویسنده از آنجایی که بسیار زیاد است، سعی نکرده فهرست جامعی ارائه دهد. در عوض، فهرست زیر بهترین‌ها را نشان می‌دهد. به نظر او.)

ALUMINIUM-GRAPHITE TECHNOLOGY (برای جزئیات بیشتر به شماره مرجع 2 و 4 مراجعه کنید):

در بالای لیست، فناوری آلومینیوم-گرافیت است که در دانشگاه استنفورد ایالات متحده در حال توسعه است. به دلیل زمان شارژ 1 دقیقه (بله، 60 ثانیه!) شگفت انگیز است. در حالی که ظرفیت آن حدود نیمی از لیتیوم یون است، این کمبود را با زمان شارژ باورنکردنی خود جبران می کند. در مقایسه با عمر 1000 چرخه شارژ Li-ion، آلومینیوم-گرافیت حداقل 7500 چرخه دوام می آورد. این بسیار ایمن تر از Li-ion نیز هست – محققان می گویند که حتی اگر آن را سوراخ کنید، آتش نمی گیرد!

ALUMINIUM-AIR TECHNOLOGY (برای خودروهای برقی) (مرجع شماره 1 و 2):

در باتری آلومینیومی هوا (Al-air) از اکسیژن هوا در کاتد استفاده می شود و در نتیجه اکسید کننده جداگانه لازم نیست. این نوع باتری دارای چگالی انرژی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را به همان اندازه که آن را با باتری‌های بنزینی خود برابری می‌کند تامین کند. برد با یک بار شارژ کامل حدود 1000 مایل است! اگر تا 2000 مایل در ماه رانندگی کنید، ممکن است چند شارژ مجدد تمام چیزی باشد که شما نیاز دارید!

چیزی که در مورد این باتری شگفت انگیز است این است که وزن آن فقط نصف باتری لیتیومی فعلی است. با تمام شدن نیمی از وزن باتری، بار بیشتری برای حمل مسافر و کالا دریافت می‌کنید (توجه: باتری، سنگین‌ترین جزء یک خودروی الکتریکی است. برای مثال، در تسلا رودستر، باتری حدود یک سوم را تامین می‌کند. از وزن کل، به طوری که وزن ذخیره شده یعنی یک ششم کل، قابل توجه است).

ALUMINIUM-AIR TECHNOLOGY (برای خودروهای الکتریکی) (مرجع شماره 2):

این یک نوع متفاوت از فناوری Al-air است که در بالا مورد بحث قرار گرفت. وای چون روی آب (معمولی و همچنین آب دریا) کار می کند و 40 برابر ظرفیت لیتیوم یونی دارد!

شارژ سریع مبتنی بر نانوتکنولوژی (مرجع شماره 5):

StoreDot Ltd.، یک شرکت اسرائیلی با فناوری پیشرفته در زمینه باتری های شارژ سریع، به زودی با “FlashBattery for Smartphones” یک شارژر جهانی گوشی های هوشمند عرضه خواهد شد. این شرکت از ترکیبات آلی اختصاصی ساخته شده/دستکاری شده با استفاده از فناوری نانو استفاده می کند.

چه چیزی آن را شگفت انگیز می کند؟ این می تواند هر گوشی را، صرف نظر از مدل یا ساخت، در مدت زمان یک دقیقه (حداکثر) شارژ کند!

به غیر از گوشی، از این شارژر می توان برای شارژ پوشیدنی، PHD، تبلت و مواردی از این قبیل استفاده کرد. با این حال، یک نکته وجود دارد – اگرچه ثابت شده است، اما هنوز به صورت تجاری در دسترس نیست! ممکن است یک سال طول بکشد تا در فروشگاه‌های خرده‌فروشی در دسترس قرار گیرد.

StoreDot همچنین به زودی “FlashBattery for EV” شارژر سریعی برای خودروهای الکتریکی را ارائه خواهد کرد. این محصول قرار است باتری خودرو را تنها در پنج دقیقه شارژ کند!

شارژ سریع از طریق امواج رادیویی (مرجع شماره 2):

در این فناوری نیروی الکتریکی مورد استفاده برای شارژ از طریق امواج رادیویی منتقل می شود.

خیلی عجیب نیست، به جز اینکه بی سیم است و از فاصله 20 فوتی شارژ می شود. و یک مورد نیز وجود دارد – فوراً در بازار موجود نیست.

فناوری جریان ارگانیک (مرجع شماره 2 و ویکی پدیا):

فناوری جریان آلی که توسط MIT (موسسه فناوری ماساچوست) توسعه یافته است، الکتریسیته را با استفاده از یک ماده آلی به نام AQDS (9،10-آنتراکینون-2،7-دی سولفونیک اسید) به عنوان حامل بار تولید می کند.

با کاهش 97 درصدی هزینه تولید برق (با منبع باتری) ما را شگفت‌زده می‌کند – در حالی که باتری‌های فلزی 1 کیلووات ساعت انرژی را با قیمت 700 دلار ارائه می‌کنند، باتری‌های جریان آلی تنها با 27 دلار اینقدر انرژی را به شما می‌دهند!

نانو باتری ها (مرجع شماره 2، 6 و ویکی پدیا):

نانوباتری‌ها از باتری‌هایی با اندازه «نانو» (یعنی اندازه‌هایی در محدوده 10 تا 9- متر) ساخته می‌شوند. باتری های “نانو” با قرار دادن دو الکترود در یک سوراخ کوچک (یا “نانو حفره”) در یک غشای عایق الکتریکی یا ترکیب فلزی (مانند اکسید آلومینیوم) که توسط یک فیلم عایق نازک از هم جدا شده اند، ایجاد می شوند. تعداد زیادی از “نانو منافذ” با هم ذوب شده و یک باتری کامل را تشکیل می دهند.

آیا چیز فوق العاده ای در مورد آنها وجود دارد؟ آره! نانوحفره ها به اندازه ای کوچک هستند که به صورت جداگانه قابل مشاهده نیستند. آنها می توانند تا چهار برابر انرژی Li-ion را در خود نگه دارند و در عرض 10 دقیقه شارژ شوند. علاوه بر این، آنها دارای طول عمر حدود 1000 چرخه شارژ هستند.

فناوری دی اکسید لیتیوم-تیتانیوم NTU (برای خودروهای برقی) (مرجع شماره 7 و ویکی پدیا):

این یک پیشرفت فناوری از دانشگاه فناوری نانیانگ (NTU) مستقر در سنگاپور است. با تغییر کاتد گرافیت موجود در باتری‌های لیتیوم یونی به ژل ارزان‌قیمت ساخته شده از دی اکسید تیتانیوم، NTU ادعا می‌کند که یک باتری شارژ فوق‌العاده سریع ساخته است که 70 درصد ظرفیت خود را در دو دقیقه شارژ می‌کند! به غیر از دو دقیقه زمان شارژ، آنچه شگفت انگیز است طول عمر خارق العاده 20 ساله آن است.

انتظار می‌رود که ضریب طول عمر باتری که عمدتاً خودروهای الکتریکی را هدف قرار می‌دهد، هزینه‌هایی را که در غیر این صورت به دلیل تعویض مکرر باتری ایجاد می‌شد، کاهش دهد.

توجه داشته باشید: همانطور که قبلا ذکر شد، تحقیقات باتری شارژ سریع یک زمینه در حال تکامل است که در حال حاضر مملو از چندین فناوری جایگزین است که امیدوارکننده هستند. فن‌آوری‌های مبتنی بر بستر فوم فلزی، سیلیکون، یون سدیم، سلول‌های سوختی میکروبی با نیروی ادرار، خورشیدی، هیدروژن، دوده شمع و چندین فناوری دیگر که تحت تحقیق و توسعه هستند، هنگام تهیه فهرست فوق، که نویسنده معتقد است بهترین‌ها هستند، دور زده شد. مقدار زیادی یکی از فقدان های قابل توجه، فناوری “شارژ از طریق هوا” مردیت پری است که از الکتریسیته منتقل شده از طریق امواج فراصوت برای شارژ استفاده می کند. یک فناوری مورد انتظار و بسیار مورد انتظار تا همین چند وقت پیش، ظاهراً نتوانست آزمایش های ارزیابی اخیر را پشت سر بگذارد، به طوری که باید از در نظر گرفتن کنار گذاشته می شد.

منابع: (برش + چسباندن پیوند در مرورگر شما برای دسترسی به شماره های مرجع 3 تا 7 لازم است)

1. جفری مارلو، “10 حوزه داغ تحقیقات علمی”، 10 حوزه داغ تحقیقات علمی | Wired، http://www.wired.com/2013/08/the-10-hottest-fields-of-science-research/

2. Pocket-lint، “باتری های آینده، به زودی: شارژ در ثانیه، ماه های آخر و شارژ از طریق هوا”، باتری های آینده، به زودی: شارژ در چند ثانیه، ماه های گذشته و شارژ از طریق هوا – Pocket-lint، http://www.pocket-lint.com/news/130380-batteries-future-coming-soon-charge-in-seconds-last-months-and-power-over-the-air

3. ScienceDaily “تحقیق باتری ها” باتری ها – Science Daily, sciencedaily.com/news/matter_energy/batteries/

4. دانشگاه استنفورد، “باتری آلومینیومی استنفورد جایگزین ایمن برای باتری های معمولی ارائه می دهد” news.stanford.edu/news/2015/march/aluminium-ion-battery-033115.HTML

5. StoreDot Ltd. “FlashBattery for Smartphones,” StoreDot What We Do, store-dot.com/#!smartphones/c1u5l

6. Ars Technica “باتری جدید متشکل از تعداد زیادی نانو باتری” | Ars Technica, arstechnica.com/science/2014/11/باتری-جدید-متشکل-از-تعدادی-از-نانو باتری/

7. دانشگاه فناوری نانیانگ، “NTU باتری هایی با شارژ فوق العاده سریع تولید می کند که 20 سال عمر می کنند”، News Detail, media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2f-95f0-4995-b5c0-10c94c