باتری های لیتیومی در همه جا و در همه چیز وجود دارند، اما چرا ما از این باتری ها نسبت به سایر گزینه ها استفاده می کنیم؟
باتری های مبتنی بر لیتیوم برای چندین دهه جزء لاینفک زندگی ما بوده اند و برای دستگاه های الکترونیکی مختلف مورد نیاز هستند. اما چرا باتری های مبتنی بر لیتیوم تا این حد محبوب شده اند و جایگزین های بهتری هستند؟ چه چیزی می تواند روزی جایگزین باتری های مبتنی بر لیتیوم به طور کلی شود؟
باتری های لیتیومی چیست؟
باتری های لیتیومی (باتری های لیتیوم یونی) رایج ترین نوع باتری امروزی هستند. ایده باتری های مبتنی بر لیتیوم برای اولین بار در سال 1976 توسط مایکل استنلی ویتینگهام، شیمیدان بریتانیایی مطرح شد. باتری های مبتنی بر لیتیوم برای اولین بار چند سال بعد، در سال 1991، زمانی که به تولید انبوه رسیدند، به صورت تجاری در مقیاس وسیع در دسترس قرار گرفتند.
باتری‌های مبتنی بر لیتیوم می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، با قابل‌توجه‌ترین انواع آن از جمله فسفات آهن لیتیوم، اکسید لیتیوم کبالت، اکسید لیتیوم منگنز و اکسید کبالت منگنز نیکل لیتیوم. این باتری ها حاوی سلول های قدرت کوچکی هستند که هر کدام از یک الکترود مثبت (کاتد)، یک الکترود منفی (آند) و یک الکترولیت تشکیل شده است.
در داخل سلول، یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی حرکت می کنند و الکترولیت به عنوان بردار حرکت عمل می کند. یون های لیتیوم (Li+) دارای بار مثبت هستند و بنابراین به سمت الکترود منفی جذب می شوند. این دو الکترود نیز از اجزای کلیدی تشکیل شده اند. در مورد باتری اکسید کبالت لیتیوم معمولی، کاتد از اکسید لیتیوم کبالت ساخته شده است، در حالی که آند معمولاً از یک ترکیب مبتنی بر کربن به نام گرافیت ساخته شده است.
کاتد مقداری از یون‌های لیتیوم مثبت خود را از بین می‌برد که سپس از طریق الکترولیت به آند می‌رود و انرژی را آزاد می‌کند که باتری برای خروجی انرژی از آن استفاده می‌کند. میلیاردها نفر در سراسر جهان برای سوخت دستگاه های خود به این فرآیند سریع و ساده اعتماد می کنند.
بسیاری از مارک های باتری های لیتیوم یونی یکبار مصرف هستند. در حالی که آنها می توانند یک دستگاه را برای هفته ها، ماه ها یا حتی سال ها تغذیه کنند، اما باید پس از اتمام باتری آن را دور انداخته و جایگزین کرد. با این حال، باتری های مبتنی بر لیتیوم قابل شارژ اکنون بسیار محبوب هستند، زیرا می توانند در هزینه کاربران صرفه جویی کنند و زباله کمتری تولید کنند.
اما چرا دقیقاً باتری های لیتیومی بهترین انتخاب هستند؟ چه چیزی آنها را به گزینه ای جذاب برای تولید کنندگان و مصرف کنندگان تبدیل می کند؟
چرا از باتری های لیتیومی استفاده می کنیم؟
ما عمدتاً از باتری های مبتنی بر لیتیوم به دلیل عمر طولانی آنها در مقایسه با سایر انواع باتری استفاده می کنیم. سازندگان می خواهند باتری هایی تولید و به فروش برسانند که برای چند روز انرژی را تحویل دهند و در عین حال سبک و جمع و جور باقی بمانند. علاوه بر این، با توجه به موسسه انرژی پاک، باتری‌های لیتیوم یونی خود تخلیه بسیار کمی در حدود 1 تا 2 درصد در ماه دارند، به این معنی که با هر بار استفاده، درصد کمتری از ظرفیت کلی انرژی خود را از دست می‌دهند.
باتری‌های لیتیوم یونی می‌توانند انرژی را از طریق یک فرآیند شیمیایی ساده تولید کنند و به گزینه‌ای بسیار جذاب برای تولیدکنندگان تبدیل شوند. علاوه بر این، چگالی انرژی باتری های لیتیوم یونی آنها را به بهترین گزینه تبدیل می کند. یک باتری لیتیوم یون استاندارد دارای ظرفیت 260-270wh/kg (وات ساعت بر کیلوگرم) است، در حالی که باتری های سرب اسیدی تنها می توانند به ظرفیت 50-100wh/kg برسند (طبق گفته Dragonfly Energy). چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یونی نیز دلیل اصلی استفاده از آنها در خودروهای الکتریکی است.
به دلیل این عوامل، باتری های لیتیومی در بین عموم مردم محبوب هستند و خرید آنها گران نیست. در حالی که مارک ها یا مدل های خاصی از باتری ها می توانند قیمت بالاتری داشته باشند، باتری های مبتنی بر لیتیوم استاندارد به طور کلی کاملاً مقرون به صرفه هستند و در میلیون ها فروشگاه در سراسر جهان در دسترس هستند.
اما باتری های لیتیوم یونی به هیچ وجه کامل نیستند. در واقع، برخی از مشکلات آشکار در ارتباط با این منبع انرژی فوق العاده محبوب وجود دارد.
مشکل باتری های لیتیومی
یکی از بزرگ‌ترین مشکلات باتری‌های لیتیوم یونی، ضایعاتی است که آنها ایجاد می‌کنند. بسیاری از مردم تصمیم می‌گیرند باتری‌ها را پس از اتمام شارژ از طریق زباله‌های معمولی دور بریزند، که به محیط زیست آسیب می‌زند.
هنگامی که باتری‌های لیتیوم یونی همراه با سایر زباله‌های عمومی غیرقابل بازیافت دور ریخته می‌شوند، در نهایت به محل دفن زباله می‌روند. هنگامی که آنها در اینجا فرود می آیند، اجزای آنها می توانند شسته شده و به شدت به محیط اطراف آسیب بزنند. لیتیوم، نیکل، کبالت و منگنز همگی می توانند خطرات آلودگی جدی داشته باشند و همگی در انواع باتری های مبتنی بر لیتیوم وجود دارند.
علاوه بر این، استخراج لیتیوم برای این نوع باتری نیز به سیاره ما آسیب می رساند. لیتیوم را می توان از طریق استخراج نمک یا تبخیر استخراج کرد، که هر دو فرآیند تأثیر بدی بر محیط زیست دارند. آلودگی، افزایش شوری آب، انتشار CO2 و از دست دادن تنوع زیستی همگی از عوارض جانبی نگران کننده استخراج لیتیوم هستند.
با توجه به اینکه انتظار می‌رود بازار باتری‌های لیتیومی بین سال‌های 2020 و 2026 به میزان 14.6 درصد رشد کند (همانطور که توسط Statista گزارش شده است)، این احتمال وجود دارد که روند استخراج لیتیوم همچنان یک تهدید زیست‌محیطی باشد. این همچنین یک نگرانی رو به رشد در صنعت تولید EV است.
پس، چه چیز جایگزین هست؟
4 جایگزین برتر باتری مبتنی بر لیتیوم
1. باتری های آب شور
اقیانوس های آب شور دو سوم سیاره ما را پوشانده اند. بنابراین، چگونه می توان از این منبع برای تولید برق استفاده کرد؟
باتری های آب شور از محلول نمک غلیظ برای تولید برق استفاده می کنند. باتری های آب شور همچنین حاوی یک آند و یک کاتد هستند که محلول نمک به عنوان الکترولیت (یا بردار) یون های مثبت سدیم (یون های Na+) عمل می کند. یون های سدیم از کاتد به آند می روند و انرژی تولید می کنند.
آب دریا واقعی در باتری های آب شور استفاده نمی شود، اما مقادیر انبوه نمک را می توان از اقیانوس برداشت کرد و برای این باتری ها استفاده کرد. استفاده از آب شور برای ساخت باتری‌ها نسبت به فرآیندهای استخراج لیتیوم، کبالت، نیکل و سایر فلزات مورد استفاده در باتری‌ها، آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌کند.
2. باتری های شیشه ای
باتری های شیشه ای ممکن است کمی غیرعادی به نظر برسند، اما پتانسیل بالایی دارند. باتری شیشه ای ایده نسبتا جدیدی است که برای اولین بار توسط فیزیکدان جان گودناف در سال 2017 مفهوم سازی شد. این باتری که با نام “باتری گودناف” شناخته می شود از شیشه به عنوان الکترولیت استفاده می کند. در حالی که الکترولیت های باتری معمولا به شکل مایع هستند، باتری شیشه ای کاملاً جامد است.
استفاده از الکترولیت جامد به طور قابل توجهی ایمن تر از الکترولیت های مایع است و احتمال آتش سوزی را کاهش می دهد و خطر شستشو در محل های دفن زباله را از بین می برد. علاوه بر این، باتری شیشه‌ای می‌تواند بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی دوام بیاورد و به طور کلی آنها را جایگزین پایدارتری می‌کند. سدیم همچنین در باتری های شیشه ای استفاده می شود، که همانطور که در مورد باتری های آب شور ذکر شد، منبع پایدارتری نسبت به فلزات باتری های سنتی است.
3. باتری های سدیم سولفور
باتری‌های سدیم سولفور (NaS) نوعی باتری حالت مایع هستند که از آندها و کاتدهای مذاب استفاده می‌کنند. در این حالت، آند و کاتد به صورت مایع در می آیند که اولی سدیم مذاب و دومی گوگرد مذاب است. این باتری ها از دهه 1960 قبل از اختراع باتری لیتیوم یونی وجود داشته اند. اما باتری NaS چه پتانسیلی در دنیای ما دارد؟
مزیت اصلی باتری های سدیم گوگرد، چگالی انرژی بالاتر آنها نسبت به باتری های لیتیوم یونی است. در واقع، محققان دانشگاه سیدنی در سال 2022 یک باتری سدیم-گوگرد با ظرفیت انرژی چهار برابر باتری های لیتیوم-یونی ساختند. محیط زیست.
4. باتری های کنفی
فکر نمی‌کنید کنف پتانسیل جایگزینی باتری‌های لیتیوم یونی را داشته باشد، اما این گیاه بار دیگر تطبیق پذیری خود را ثابت کرده است. با این حال، این باتری ها با یک هشدار همراه هستند: آنها هنوز از فلزات سنگین مانند لیتیوم برای کار استفاده می کنند.
اکو واچ گزارش می دهد که یک نمونه از باتری های کنفی که توسط محققان در سال 2022 ساخته شد، از لیتیوم و گوگرد در فرآیند تولید برق خود استفاده می کند. تفاوت در اینجا این است که سایر فلزات سنگین مانند نیکل یا کبالت استفاده نمی شوند و خود باتری نسبت به انواع سنتی لیتیوم یون عملکرد بهتری دارد. این به این دلیل است که کنف به کاتد کمک می کند تا عمر خود را از طریق چرخه های مکرر افزایش دهد.
باتری های مبتنی بر کنف نیز مقرون به صرفه تر هستند و برای استفاده در خودروهای الکتریکی در نظر گرفته می شوند. برای آشنایی با انواع مختلف باتری EV، بخش اختصاصی ما را در مورد این موضوع بررسی کنید.
صنعت باتری می تواند در آینده بسیار سبزتر شود
با وجود چنین جایگزین های امیدوارکننده ای برای باتری های لیتیوم یونی که در حال حاضر در حال کار هستند، فکر کردن به آینده صنعت باتری هیجان انگیز است. اگر چنین جایگزین هایی با موفقیت تجاری سازی شوند، می توانیم از مسائل و بلایای زیست محیطی بی شماری جلوگیری کنیم. در مجموع، این یک برد-برد برای جایگزینی لیتیوم یون است!