فیدیبو نماینده قانونی فیدیبو و بیش از ۶۰۰ ناشر دیگر برای عرضه کتاب الکترونیک و صوتی است .
کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟

کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟

نسخه الکترونیک کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟ به همراه هزاران کتاب دیگر از طریق فیدیبو به صورت کاملا قانونی در دسترس است.


فقط قابل استفاده در اپلیکیشن‌های iOS | Android | Windows فیدیبو

با نصب اپلیکیشن فیدیبو این کتاب را به صورت کاملا رایگان مطالعه کنید.

درباره کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟

دو هفته‌نامه‌ی ساینس‌نیوز در شماره‌ی ۲۱ ژانویه‌ی ۲۰۱۷ مقاله‌ای به نام «Better Batteries Charge Forward» منتشر کرده است. این مقاله به فناوری‌هایی در ساخت باتری‌ها اشاره کرده که اکنون در مرحله‌ی توسعه قرار دارند و به نظر می‌رسد که در آینده‌ای نزدیک بعضی از آن‌ها بتوانند به طور کامل تجاری‌سازی شوند. فناوری‌هایی که برای ایجاد تحول در زندگی جامعه‌ی بشری و هدایت او به سوی آینده‌ی وابسته به الکتریسیته ضروری هستند. در ادامه می‌توانید ترجمه‌ی این مقاله را تحت عنوان «باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟» بخوانید. این کتاب با همکاری فیدیبو و دیجی‌کالا مگ تهیه شده و در اختیار علاقه‌مندان قرار گرفته است.

ادامه...
  • ناشر فیدیبو
  • تاریخ نشر
  • زبان فارسی
  • حجم فایل 0.85 مگابایت
  • تعداد صفحات ۰ صفحه

بخشی از کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟

با نصب اپلیکیشن فیدیبو این کتاب را به صورت کاملا رایگان مطالعه کنید.



دو هفته نامه ی ساینس نیوز در شماره ی ۲۱ ژانویه ی ۲۰۱۷ مقاله ای به نام «Better Batteries Charge Forward» منتشر کرده است. این مقاله به فناوری هایی در ساخت باتری ها اشاره کرده که اکنون در مرحله ی توسعه قرار دارند و به نظر می رسد که در آینده ای نزدیک بعضی از آن ها بتوانند به طور کامل تجاری سازی شوند. فناوری هایی که برای ایجاد تحول در زندگی جامعه ی بشری و هدایت او به سوی آینده ی وابسته به الکتریسیته ضروری هستند. در ادامه می توانید ترجمه ی این مقاله را تحت عنوان «باتری هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره ی انرژی دگرگون می شود؟» بخوانید.
شارژدهی طولانی مدت باتری دستگاه های الکترونیکی آرزوی همه ی ماست. باتری گوشی های همراه و لپ تاپ های ما تقریبا هر شب باید شارژ شوند. کسانی که صاحب خودروی برقی هستند باید حسابی حواسشان جمع باشد که به موقع آن را شارژ کنند و با باتری خالی وسط جاده گرفتار نشوند. ما در خانه برای هرکدام از دستگاه هایمان یک شارژر مجزا داریم. گاهی اوقات شارژ شبانه ی همه ی آن ها باعث می شود که آرزو کنیم ای کاش باتری های ما می توانستند هفته ها و ماه ها شارژ داشته باشند.
پژوهشگرانی که در زمینه ی بهبود عملکرد باتری ها کار می کنند معمولا کمتر به فکر گجت های الکترونیکی روزمره ی ما هستند. آن ها خیلی کلان تر به قضیه نگاه می کنند و در این اندیشه اند که روزی بتوانیم به کمک باتری های ارزان و پرظرفیت از شَر سوخت های فسیلی خلاص شویم. با باتری های پرظرفیت قدرمندی که خیلی زود شارژ می شوند می توانیم خودروها و کامیون های بنزینی و گازوییلی را کنار بگذاریم و به سراغ وسایل نقلیه ی برقی برویم. وسایل نقلیه ای که نه آلودگی هوا تولید می کنند و نه آلودگی صوتی. حتی هواپیماها هم می توانند برقی شوند. اگر بتوانیم باتری های ایده آل خود را بسازیم، با خیال راحت استفاده از انرژی خورشیدی و بادی را گسترش می دهیم چرا که مطمئنیم وقتی آفتاب نمی تابد یا باد با قدرت کافی نمی وزد هم انرژی ذخیره شده ی کافی برای تامین نیاز خانه هایمان داریم.



 پژوهشگران امیدوارند با رسیدن به فناوری های نوین در ساخت باتری بتوانند آینده ای کاملا وابسته به برق برای تمدن انسان رقم بزنند.

اختراع یک باتری بهتر می تواند باعث جهشی بزرگ در فناوری و البته رشد سریع جامعه شود. درست مثل همان جهشی که باتری های لیتیوم-یون ایجاد کردند. باتری های لیتیوم-یون از اوایل دهه ی ۱۹۹۰ مرسوم شدند و تقریبا دو برابر بهترین باتری های زمان خود ظرفیت داشتند. آن ها توانستند فناوری ارتباطات و نحوه ی تعامل مردم با یکدیگر را متحول کنند.
«جورج کِرَب تری» (George Crabtree) که یک دانشمند علم مواد و مدیر مرکز مشترک پژوهش در زمینه ی ذخیره ی انرژی در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی است می گوید: «کاری که باتری های لیتیوم-یون با دستگاه های الکترونیکی شخصی انجام دادند یک تحول بود.» او که پژوهش در زمینه ی باتری ها در ده ها دانشگاه آمریکا را هماهنگ می کند، ادامه می دهد: «گوشی های همراه (به لطف باتری های لیتیوم-یون) نه تنها تلفن های خانگی را برای بسیاری منسوخ کردند بلکه دوربین ها و اینترنت را به دست میلیون ها نفر رساندند.» این جهش بزرگ یک شبه رخ نداد و «نتیجه ی دهه ها کار و گام های متعدد رو به جلو بود.»
باتری های لیتیوم -یون به خصوص برای استفاده در شبکه ی برق و وسایل نقلیه ی برقی محدودیت های خاص خودشان را دارند. خوشبختانه پژوهشگران دست از تلاش بر نمی دارند. طی ۱۰ سال گذشته، دانشگاه ها، شرکت های فناوری و تولیدکنندگان خودرو صدها فناوری جدید در باتری ها بوجود آورده اند که باعث شده بتوانیم امیدوار باشیم نسل آینده ی باتری ها انرژی بیشتری ذخیره بکنند، بیشتر شارژ بدهند، آسان تر شارژ شوند و ارزان تر و ایمن تر باشند.



 وسایل نقلیه ی برقی و ذخیره ی انرژی در شبکه های برق از جمله مهم ترین انگیزه ها برای پژوهشگران در پیشرفت فناوری باتری ها هستند.

به نظر می رسد که در شُرف رسیدن به نتیجه ی پیشرفت های گام به گام کوچک یک دهه ی گذشته هستیم. اواخر سال ۲۰۱۷ دانشمندان از مدل های اولیه و آزمایشی باتری هایی رونمایی می کنند که احتمالا می توانند تجاری سازی شده و روی خط تولید بروند. بعضی از آن ها دارای مواد سازنده ی جدید مثل سولفور و منیزیوم هستند. عناصری که باعث می شوند باتری بتواند انرژی را خیلی بهینه تر ذخیره کند و شارژدهی بیشتری داشته باشد. بعضی دیگر هم طراحی کاملا جدید و انقلابی دارند.
کِرَب تری می گوید: «این مدل های اولیه، باتری هایی برای اثبات اصول [جدید ساخت باتری] هستند، نسخه هایی مینیاتوری که کار می کنند.» تولید انبوه و تجاری این باتری ها بین پنج تا ۱۰ سال زمان می برد. کِرَب تری می گوید که ایجاد جهش در فناوری باتری ها به طرز عجیبی مشکل است.

نیروگاه های کوچک برق

باتری ها در حقیقت نیروگاه های شیمیایی کوچک برق هستند. از نظر فنی، یک باتری مجموعه ای از دو یا تعداد بیشتری «سلول الکتروشیمیایی» است. انرژی آزاد شده از واکنش های شیمیایی جریانی از الکترون ها بوجود می آورد. هرچه انرژی تولید شده توسط واکنش های شیمیایی بیشتر باشد، شار الکترون ها هم بیشتر خواهد بود. جریان الکترون ها انرژی مورد نیاز دستگاه مورد نظر، از ساعت دیواری گرفته تا زنگ هشدار آتش سوزی ساختمان یا موتور یک خودروی برقی را فراهم می کند.
برای اینکه یک باتری بتواند دستگاهی برقی را به کار بیندازد، الکترون ها باید از طریق مداری که دو الکترود را به هم وصل می کند به جریان بیفتند. این الکترودها با نام آند و کاتد شناخته می شوند و بینشان ماده ای به نام الکترولیت قرار دارد. در آند، واکنش های شیمیایی اکسایش باعث آزاد شدن الکترون ها می شود. در کاتد، الکترون ها وارد واکنش های کاهش می شوند. الکترولیت کاری می کند که یون های تولید شده در واکنش های اکسایش-کاهش بتوانند بین دو الکترود رفت و آمد کنند و در نتیجه مدار کامل شود.
***

اصول اولیه ی باتری



 باتری ها دارای سه جزء تشکیل دهنده اصلی هستند. دو الکترود (الکترود منفی به نام آند و الکترود مثبت به نام کاتد) و ماده ی الکترولیت که کمک می کند یون ها بتوانند در باتری جابجا شوند. واکنش های شیمیایی در آند باعث آزاد شدن الکترون ها می شوند. الکترون های آزاد شده در گذر از مدار خارجی می توانند یک لامپ یا دستگاه دیگر را به کار بیندازند.
***
بسته به اینکه در ساخت الکترودها و الکترولیت از چه موادی استفاده شده، می توان باتری هایی ساخت که با اعمال جریان الکتریکی، واکنش های شیمیایی در آن ها به صورت عکس صورت بگیرد و بدین ترتیب شارژ شوند. پژوهشگرانی که در زمینه ی ساخت مواد لازم برای معجون الکتروشیمیایی باتری های قابل شارژ کار می کنند باید حواسشان جمع باشد که واکنش های ثانویه کار را خراب نکنند.
کِرَب تری می گوید: «آن واکنش شیمیایی که می خواهید وجود دارد. همانی که انرژی را ذخیره و آزاد می کند.» او ادامه می دهد: «ولی یک دوجین واکنش دیگر هم رخ می دهد.» این واکنش های ثانویه می توانند باتری را از کار بیندازند یا بدتر، منجر به یک فاجعه شوند. (چیزی مثل فاجعه ی سامسونگ گلکسی نوت ۷)
اولین مدل های باتری های لیتیوم-یون در دهه ی ۱۹۷۰ ساخته شدند و آند آن ها از لیتیوم خالص درست شده بود. در استفاده ی طولانی مدت، یون های لیتیوم از آند جدا می شدند و مثل یک زائده روی آن تجمع پیدا می کردند. طول این زائده به تدریج آن قدر زیاد می شد که به کاتد می رسید و باتری از درون دچار اتصال کوتاه می شد. در آند باتری های لیتیوم-یون امروزی گرافیت به کار رفته است و بنابراین یون های لیتیوم آزاد شده، بین لایه های اتم های کربن جمع می شوند.
باتری های لیتیوم-یون از ابتدا با هدف استفاده در وسایل الکترونیکی کوچک ساخته شدند. یعنی کسی به فکر طراحی باتری های لیتیوم-یون برای استفاده در خودروهای برقی یا ذخیره ی انرژی در شبکه های برق نبود. خودروهای برقی به انرژی الکتریکی زیادی احتیاج دارند و هنگام حرکت اولیه هم انرژی زیادی باید به موتور آن ها وارد شود. اکنون در خودروهای برقی از هزاران باتری لیتیوم-یون کوچک استفاده می شود که به طور متوسط می تواند انرژی آن ها برای طی مسیری در حدود ۳۲۰ کیلومتر را تامین کند. مشخص است که این میزان خیلی کمتر از مسافتی است که خودروهای بنزینی در هر بار پر شدن باک می توانند طی کنند. بعلاوه شارژ باتری های لیتیوم-یون معمولا آن قدر سریع تمام می شود که نمی توانند برای ساعت های طولانی شبکه های برق بزرگ را تغذیه کنند.



باتری های لیتیوم-یون ابتدا با هدف استفاده در وسایل الکترونیکی کوچک ساخته شدند و کسی به فکر استفاده از آن ها در خودروها نبود.

به عقیده ی کِرَب تری، راه حل این مشکلات گنجاندن تعداد بیشتر باتری در خودروهای برقی یا شبکه های برق نیست. مجتمع کردن باتری ها زمان شارژ شدن را کاهش نمی دهد و عمر آن ها را هم زیاد نمی کند؛ تازه بر وزن کل منبع تغذیه هم می افزاید. مثلا در مورد خودروهای برقی، سازنده نمی تواند کل فضاهای موجود در بدنه ی خودرو را با باتری پر کند. برای اینکه خودروهای برقی توانایی رقابت با خودروهای مجهز به موتور احتراق داخلی را داشته باشند، باید باتری هایی ارزان و پرتوان ساخته شود که می توانند دست کم تا ۱۵ سال عمر کنند. قضیه درباره ی باتری های لازم برای استفاده در شبکه های برق که مسئولیت ذخیره ی انرژی برای مواقع اضطراری را بر عهده می گیرند هم به همین صورت است. آن ها باید خیلی ارزان باشند و چند ده سال دوام بیاورند.
«یِت مینگ چیانگ» (Yet-Ming Chiang) که یک دانشمند علم مواد در دانشگاه MIT است می گوید: «هیچ نوع باتری وجود ندارد که بتواند همه ی نیازهای شما را برآورده کند.» باتری هایی که در دستگاه های همراه به کار می روند با آن هایی که باید در حمل و نقل و شبکه ی برق استفاده شوند خیلی متفاوت هستند. باید انتظار انواع گوناگونی از باتری را داشته باشیم که هرکدام برای کاربردی متفاوت ساخته شده اند.

استفاده از سولفور

باتری های لیتیوم-سولفور امید بعدی ما برای استفاده در خودروهای برقی هستند. در این باتری ها، بیشتر کاتد از سولفور ساخته شده است. سولفور یک پسماند صنعتی ارزان و فراوان است که به محیط زیست ضرر نمی رساند. آند این باتری ها هم از لیتیوم ساخته می شود. یون های لیتیوم به هنگام تخلیه ی شارژ باتری از آند جدا می شوند و از طریق الکترولیت مایع به کاتد سولفوری می رسند. آن جا یون های لیتیوم با اتم های سولفور پیوند کوالانسی ایجاد می کنند. هرکدام از اتم های سولفور به جای یک یون لیتیوم به دو یون لیتیوم متصل می شود و در نتیجه تعداد پیوندها در کاتد دوبرابر می شود. پیوند شیمیایی بیشتر، به معنی ذخیره ی بیشتر انرژی است و در نتیجه باتری های لیتیوم-سولفور بیشتر از باتری های لیتیوم-یون ظرفیت دارند. در ضمن از آن جا که سولفور سبک وزن است، تولیدکنندگان می توانند به ازای هر گرم، پنج برابر انرژی بیشتری ذخیره کنند. در کل باتری های لیتیوم-سولفور می توانند خیلی سبک تر ساخته شوند.
***

نوع باتری: لیتیوم-سولفور



 چگونگی کارکرد: یون های لیتیوم از آند با سولفور در کاتد وارد برهمکنش می شوند تا جریان الکتریکی بوجود آید.
مورد استفاده: خودروها، گوشی های همراه، لپ تاپ ها
مزایا: سولفور ارزان و خیلی سبک است. امکان ساخت باتری های سبک تر با ظرفیت بیشتر.
موانع: نسخه های کنونی عمر کمی دارند و باید روی ماده ی الکترولیت آن ها کار شود. الکترولیت های کنونی کاتد را حل می کنند و با آند واکنش می دهند.
***
اگر در خودروهای برقی از باتری های لیتیوم-سولفور استفاده کنیم می توانیم بُرد آن ها را به ۸۰۰ کیلومتر افزایش دهیم. البته پژوهشگران اول باید از پس مشکل عمر کوتاه این باتری ها بر بیایند. مشکلی که طبق گفته ی کِرَب تری بر اثر از بین رفتن لیتیوم و سولفور در هر بار شارژ و تخلیه ی شارژ بوجود می آید.
وقتی لیتیوم با سولفور ترکیب می شود، ترکیبی به نام پلی سولفید بوجود می آید که خیلی سریع فضای داخلی باتری را پر می کند. پلی سولفیدها به هنگام تخلیه ی شارژ باتری روی کاتد تشکیل می شوند. وقتی این ترکیبات در الکترولیت مایع باتری حل می شوند، به سوی آند می روند و با آن واکنش می دهند. در نتیجه ی این واکنش فیلمی بوجود می آید که طی چند ده بار شارژ و تخلیه ی شارژ باتری یعنی تقریبا یکی دو ماه استفاده، آن را بلااستفاده می کند.
گروهی به رهبری «کوین زاوادیل» (Kevin Zavadil) در آزمایشگاه های ملی ساندیا درحال تلاش برای جلوگیری از تشکیل پلی سولفیدها در الکترولیت هستند. الکترولیت حاوی نمک و یک حلال است. باتری های لیتیوم-سولفور کنونی برای اینکه طول عمر متوسط داشته باشند نیاز به الکترولیتی با حجم خیلی زیاد دارند. زاوادیل و گروهش می خواهند الکترولیتی بسازند که سولفور را کمتر در خود حل کند و میزان تشکیل پلی سولفید را هم به حداقل برساند.
آن طور که در شماره ی ۹ سپتامبر ۲۰۱۶ مجله ی ACS Energy Letters منتشر شده، الکترولیت جدید دارای نمک بیشتر و میزان ناچیزی حلال است. پژوهشگران همچنین توانسته اند حجم کلی الکترولیت را در باتری کم کنند. زاوادیل می گوید که در عمل این روش توانست میزان تشکیل پلی سولفیدها را چند برابر کم کند.
زاوادیل می گوید: «ما ایده هایی درباره ی چگونگی استفاده از غشاها برای حفاظت از سطح لیتیوم در برابر پلی سولفیدها داریم.» هدف این است که تا آخر سال ۲۰۱۷ نمونه ای آزمایشی از این باتری بسازند که برای هزاران بار شارژ و تخلیه دوام داشته باشد.
یک مهندس مواد به نام «گیهوآ یو» (Guihua Yu) از دانشگاه آستین در تگزاس با همکارانش در دانشگاه صنعتی چجیانگ هانگژو چین در حال کار کردن روی روشی تازه در ساخت باتری های لیتیوم-سولفور است. آن ها می خواهند کاتد سولفور معمولی را با ساختاری ظریف که سولفور را در آرایه ای از نانوتیوب ها در بر می گیرد جایگزین کنند. آن طور که در شماره ی نوامبر ۲۰۱۶ نشریه ی Nano Letters منتشر شده، نانوتیوب هایی که سولفور را در بر می گیرند از منگنز دی اکسید ساخته شده اند. ماده ای که می تواند پلی سولفیدها را جذب کند و آن ها را نگه دارد. نانوتیوب ها با پلی پیرول اندود می شوند. پلی پیرول یک پلیمر رسانا است که به افزایش جریان الکترون ها کمک می کند.
***



 کاتد ساخته شده از نانوتیوب ها برای افزایش عملکرد و طول عمر باتری های لیتیوم-سولفور مورد استفاده قرار می گیرد. نانوتیوب های بسیار رسانا مانند آن چه در این عکس نشان داده شده پلی سولفیدهای مشکل ساز را به دام می اندازند. پلی سولفیدها محصولات ثانویه ی واکنش های شیمیایی هستند که باتری را به کار می اندازد.
***
این روش باعث جلوگیری از تجمع پلی سولفید در باتری می شود و در کل بازدهی باتری را افزایش می دهد. اکنون ساختارهای بوجود آمده ی جدید باعث شده اند باتری های لیتیوم-سولفور در هر بار شارژ و تخلیه ی شارژ کمتر از ۰ر۰۷ ظرفیت خود را از دست بدهند. بعد از ۵۰۰ بار شارژ و تخلیه، باتری ۶۵ درصد از ظرفیت اصلی خود را حفظ کرد. این پیشرفتی بزرگ در فناوری ساخت باتری لیتیوم-سولفور به حساب می آید. البته این مقدار هنوز فاصله ی زیادی تا باتری هایی دارد که می خواهیم در خودروها به کار ببریم و قرار است ۱۰ تا ۱۵ سال و برای هزاران سیکل شارژ و تخلیه ی شارژ کار کنند.
دانشمندان در آزمایشگاه ملی آرگون درحال ساخت نوع دیگری از باتری ها هستند. نوعی که به جای بهره گیری از یون های لیتیوم در آند از منیزیوم استفاده می کند. یک مهندس مواد در آرگون به نام «براین اینگرام» (Brian Ingram) می گوید که این کار می تواند باعث افزایش چشمگیر توانایی ذخیره ی انرژی شود. یون های منیزیوم دارای بار ۲+ هستند و این درحالیست که یون های لیتیوم بار ۱+ دارند. قابلیت منیزیوم در تولید دو برابری جریان الکتریکی نسبت به یون های لیتیوم می تواند باعث بوجود آمدن باتری های کوچک تر با امکان ذخیره ی بیشتر انرژی شود.
***

نوع باتری: منیزیوم-یون



چگونگی کارکرد: درست مثل باتری های لیتیوم-یون است ولی منیزیوم جایگزین لیتیوم می شود.
مورد استفاده: خودروها، گوشی های همراه، لپ تاپ ها
مزایا: منیزیوم فراوانی بیشتری نسبت به لیتیوم دارد و دارای دو الکترون است. بنابراین می تواند انرژی بیشتری ذخیره کند.
موانع: شیمی آن هنوز به خوبی شناخته نشده و طول عمر کمی دارد.
***
البته کار با منیزیوم هم چالش های خاص خودش را دارد. درحالی که یون های لیتیوم خیلی سریع از درون الکترولیت گذر می کنند، یون های منیزیوم حرکت کندی دارند. گروهی از پژوهشگران در دانشگاه شمال غرب آرگون و آزمایشگاه ملی «اوک ریج» (Oak Ridge) پرتوهای پرانرژی ایکس را به منیزیوم درون باتری ها تاباندند و متوجه شدند که این حرکت کند به دلیل برهمکنش یون های منیزیوم با مولکول های الکترولیت است. اینگرام و گروهش در حال آزمایش مواد جدیدی هستند که بتواند در الکترولیت استفاده شود و از میزان برهمکنش بکاهد. گروه اینگرام تلاش می کند که تا ماه دسامبر امسال مدل هایی پیش تولید با طول عمر زیاد و عمکرد بالا بسازد که خروجی ۳ ولت ارائه می دهند. امروزه خروجی باتری های لیتیوم-یون معمولی بین ۳ر۸ تا ۴ ولت است.

نظرات کاربران درباره کتاب باتری‌هایی برای آینده؛ چگونه فناوری ذخیره‌ی انرژی دگرگون می‌شود؟

خیلی عالی
در 2 سال پیش توسط blue stone
باطریام عالمی دارنا! این چند تا کتاب رایگانتون خیلی خوب بود. بازم بزارید
در 2 سال پیش توسط ham...jad