عجیب‌ترین باتری‌های ساخته شده در سال ۲۰۱۸

دستیابی به انرژی در زمان و مکان مورد نیاز، در کشورهای پیشرفته یک نیاز اساسی به شمار می‌رود و می‌تواند کمکی در داشتن گرما در زمستان و سرما در تابستان باشد و ایمنی غذاهای مورد استفاده را نیز تضمین کند. بررسی شیوه ذخیره انرژی، یک کار رو به پیشرفت است و تلاش‌های مهم دانشمندان با کمک مواد جدید، مفهموم باتری به شکل شناخته شده را به کلی تغییر می‌دهند.

در اینجا به پنج مورد از باتری‌های جدیدی اشاره می‌کنیم که در سال ۲۰۱۸ ارائه شده‌اند.

ذخیره انرژی در برجی از بلوک‌های فشرده

یک فنر معمولی را در نظر بگیرید. اگر آن را با انگشتان خود فشار دهید، انرژی زیادی را جمع می‌کنید و با رها کردن فنر، این انرژی آزاد می‌شود. همین اصل را در مورد برجی از بلوک‌های فشرده با یک جرثقیل دارای سه بازو در نظر بگیرید که مانند انگشت عمل می‌کند.

یک استارتاپ سوئیسی موسوم به "انرژی والت"(Energy Vault)، روش جدیدی ابداع کرده که برای ذخیره انرژی منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید در برج‌های فشرده‌ای به اندازه آسمانخراش طراحی شده است که مانند یک باتری عمل می‌کنند. جرثقیل باید برای شارژ این باتری، بلوک‌ها را روی یکدیگر قرار دهد تا یک برج به وجود آورد. برای تخلیه شارژ نیز جرثقیل اجازه می‌دهد که جاذبه، بلوک‌ها را پایین بیاورد و انرژی جنبشی تولید شده طی این فرآیند را به الکتریسیته تبدیل کند.

عملکرد این برج، مشابه "نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای"(PSH) است که به جاذبه زمین تکیه دارند. این نیروگاهها، آب را در یک منبع پمپاژ می‌کنند و سپس، نیروی تولید شده را هنگام آزاد شدن از توربین‌ها می‌گیرند. استارتاپ انرژی والت باور دارد که این راه حل، قابلیت ذخیره تا ظرفیت ۳۵ کیلووات ساعت و اوج قدرت چهار میلی وات را دارد و کارآیی آن تا ۹۰ درصد است. این استارتاپ قصد دارد در سال ۲۰۱۹، نخستین سیستم انرژی با این روش جدید را در هند راه‌اندازی کند.

باتری‌ در خدمت ابزار

کنترل تلویزیون، ساعت و چراغ‌قوه، ابزاری هستند که باید با باتری‌های مخصوص به خود با شکل و اندازه معین شارژ شوند اما طراحی باتری‌هایی با توجه به شکل و اندازه ابزار هم می‌تواند راه خوبی باشد.

دانشمندان "دانشگاه ایالتی تگزاس"(Texas State University) و "دانشگاه دوک"(Duke University) آمریکا در اکتبر سال جاری، راهی برای چاپ سه‌بعدی باتری‌ها ارائه دادند که در آن، از نوعی پلاستیک قابل تجزیه زیستی موسوم به اسید "پلی‌لاکتیک"(PLA) استفاده می‌شود تا باتری به شکل دلخواه درآید. از این پلاستیک فقط در برخی آزمایش‌ها می‌توان استفاده کرد زیرا پلی‌لاکتیک در حالت معمول، یک رسانای یونی نیست.

دانشمندان این مشکل را با کمک ماده‌ای حاوی اتیل متیل کربنات، پروپیلن کربنات و لیتیوم پرکلرات حل کردند. آنها همچنین از گرافین در نانولوله‌های آند و کربن استفاده کردند و الکترودهای مثبت و منفی را به کار بردند.

این گروه پژوهش با روش جدید خود توانست باتری را در شکل و اندازه یک باتری دکمه‌ای ارائه دهد که معمولا کارآمد است. آنها باتری چاپ سه‌بعدی را در یک مچ‌بند مجهز به لامپ‌های LED قرار دادند و باتری به مدت ۶۰ ثانیه روشن ماند. این نتیجه از هدف عملی فاصله زیادی دارد اما دانشمندان اکنون برای بهبود ظرفیت باتری‌ها تلاش می‌کنند تا شاید راهی برای ارائه فرصت‌های جالب در طراحی تولید پیدا کنند.

خورشید در جعبه!

دانشمندان دانشگاه "ام.آی.تی"(MIT) در دسامبر سال جاری، طرحی موسوم به "خورشید در جعبه" ارائه دادند که یک سیستم ذخیره انرژی تجدیدپذیر است و انرژی را به شکل گرما ذخیره می‌کند. گرما در این سیستم، در نمک‌های مذاب ذخیره می‌شود و هنگامی که الکتریسیته مورد نیاز باشد، نمک گرم شده در یک مبدل گرمایی پمپاژ و گرمای نمک به بخار تبدیل می‌شود. سپس یک توربین، گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کند.

این سیستم جدید طوری طراحی شده که می‌تواند گرمای حاصل از الکتریسیته اضافی که در اثر نیروی خورشید یا باد به وجود آمده، در مخازن بزرگی از جنس سیلیکون ذوب شده سفید و گرم ذخیره کند. پژوهشگران تخمین می‌زنند که چنین سیستمی، بسیار مقرون به صرفه‌تر از باتری‌های لیتیوم- یون خواهد بود که روشی قابل قبول اما پرهزینه برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر هستند. هزینه این سیستم، نصف هزینه ذخیره‌سازی هیدروالکتریکی پمپاژ شده و ارزان‌ترین شکل ذخیره انرژی در مقیاس شبکه تا به امروز خواهد بود.

دمای بالای به کار رفته در این سیستم موجب ذخیره گرمای بیشتر می‌شود. به جای استفاده از یک مبدل گرمایی برای جوشاندن آب و تولید برق، سیستم می‌تواند از سلول‌های خورشیدی چند منظوره برای تولید برق استفاده کند.

دانشمندان ام.ای.تی، این سیستم را با یک مخزن کوچک مورد آزمایش قرار دادند اما به گفته آنها می‌توان سیستم را روی مخزن ۱۰ متری آزمایش کرد تا انرژی کافی برای ۱۰۰ هزار خانه تامین شود.

باتری چرخشی!

باتری‌های استانداردی که از آنها استفاده می‌کنیم، در یک پایانه خود کاتود و در پایانه دیگر، آند دارند و یک تفکیک‌کننده نارسانا در میانه آنها قرار گرفته است. دانشمندان "دانشگاه کرنل"(Cornell University) آمریکا، باتری جالبی طراحی کرده‌اند که این ترکیبات را در یک شکل چرخشی قرار می‌دهد. این شکل باتری، امکان شارژ در تنها چند ثانیه را فراهم می‌کند.

نکته اصلی در طراحی باتری، ذات متخلخل ساختار آند است که هزاران روزنه کوچک به پهنای ۴۰ نانومتر را در بر دارد و هر یک از روزنه‌ها با دیگر ترکیبات ضروری باتری پر شده‌اند. در این باتری، یک تفکیک‌کننده یونی با سولفور و یک پلیمر رسانا قرار دارد.

درون هر یک از هزاران روزنه، همه ترکیبات مورد نیاز ذخیره و ارسال انرژی قرار دارد که موجب می‌شود در باتری‌های کوچک به خوبی عمل کنند. ارائه باتری در مقیاس نانو، دستیابی ساده‌تر به انرژی را امکان‌پذیر می‌سازد.

باتری انعطاف‌پذیر

باتری‌های انعطاف‌پذیر مانند باتری‌های‌ چاپ سه‌بعدی، در اندازه‌های گوناگون ارائه می‌شوند و این موضوع در جهان فناوری‌های پوشیدنی، بسیار امیدوار کننده است. پژوهشگران "دانشگاه کلمبیا"(Columbia University) در سال جاری، نوعی باتری ارائه دادند که با الهام از ستون فقرات انسان ساخته شده است.

این باتری، از مجموعه‌ای کاتود، آند و تفکیک‌کننده تشکیل شده که طی فرآیندی به هم متصل می‌شوند. این باتری‌های انعطاف‌پذیر مانند دیسک‌ها و رباط‌های بدن انسان، امکان چرخش و کنترل باتری را فراهم می‌کنند که با دستیابی به یک ولتاژ بالا ممکن می‌شود.

اگرچه دانشمندان، ترکیبات سازنده باتری‌های انعطاف‌پذیر را دقیقا اعلام نکردند اما گفتند که این باتری‌ها بالاترین تراکم انرژی را در سطح خود دارند و می‌توانند حدود ۸۵ درصد انرژی باتری‌های لیتیوم- یون را تولید کنند.