باتری های لیتیوم اکسیژنی تغییری جدید در راه خودرو های الکتریکی

صنعت باتری سازی در چند سال اخیر با پیشرفت تکنولوژی و بهره گیری کمپانی‌های تولید کننده باتری از فناوری‌های مدرن دست خوش تغییرات زیادی شده است. حضور باتری‌ها در بسیاری از وسایل اطراف ما از کنترل تلویزیون گرفته تا باتری گوشی های هوشمند و اخیرا خودروهای الکتریکی سبب تغییر در نحوه استفاده از انرژی الکتریکی و کاهش سوخت‌های آلاینده شده است. اخیرا باتری‌های لیتیوم اکسیژنی تولید شده که بسیاری از مشکلات باتری‌های لیتیوم یونی را برطرف ساخته است.

خودروهای الکتریکی یکی از عمده‌ترین وسایل نقلیه‌ای هستند که به کاهش مصرف سوخت‌های روغنی و بنزینی کمک می‌کنند اما متاسفانه به دلیل مشکلات وزنی، قیمت، طول عمر باتری و شارژدهی مناسب اغلب توسط عموم مردم مورد استقبال قرار نمی‌گیرند.

خودروهای الکتریکی به دلیل استفاده از نیروی برق بسیار بهینه عمل می‌کنند اما در جاده‌ها از سرعت مناسبی برای حرکت برخوردار نیستند. با ورود باتری‌های لیتیوم یونی به بازار این‌گونه خودروها شاهد بهبود عملکرد و افزایش طول عمر باتری ماشین‌ها بودیم.

خودروسازان با بهره گیری از این نوع باتری‌ها سعی در کاهش قیمت خودروهای الکتریکی و افزایش کارایی آن‌ها بودند اما اکنون با ورود سری جدیدی از این باتری‌ها با نام لیتیوم اکسیژن طیف وسیعی از وسایل نقلیه الکتریکی دست خوش تغییرات زیادی خواهند شد.

طبق آزمایش‌های صورت گرفته باتری‌های لیتیوم اکسیژنی 5 بار سبک از باتری‌های لیتیوم یونی بوده و با این وزن کم دقیقا همان قدرت باتری‌های لیتیوم یونی را تولید می‌کنند اما مشکلات فراوان در استفاده این نوع باتری‌ها سبب شده تا فعلا باتری‌های لیتیوم اکسیژنی در عمل کاربردی نباشند. بهره‌وری پایین و اتلاف زیاد انرژی به‌صورت گرمایی از جمله این مشکلات هستند.

دکتر جو لی یکی از اساتید و درسین ارشد دانشگاه MIT در بیانیه‌ای مربوط به این‌گونه باتری‌ها توضیح داد:

هنگام شارژ کردن باتری‌های لیتیوم اکسیژنی، حدود 30 درصد از انرژی به‌صورت گرما تلف شده و سبب کاهش بهره‌وری می‌شود. احتمال آتش گرفتن این باتری‌ها در فرایند شارژ سریع، یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی است که پیش روی تولیدکنندگان این باتری‌ها است.

اتلاف انرژی هنگام شارژ این باتری‌ها سبب می‌شود تا باتری برای شارژ مجدد نیازمند 1.2 ولت انرژی بیشتر باشد اما دکتر جو لی راهی برای کاهش این میزان به 0.24 ولت پیدا کرده که در نوع خود راهکاری جهت کاهش اتلاف انرژی است.

علاوه بر این ترفند دکتر لی از تکنولوژی مواد در جهت ذخیره کردن اکسیژن موجود در هوا برای شارژ مجدد این باتری‌ها استفاده کرده است. هنگام شارژ یا تخلیه شارژ، باتری بین ترکیبات Li₂O, Li₂O₂ و LiO₂ تغییر ماهیت داده و اکسیژن ذخیره شده را به گازی جامد تبدیل می‌کند که این روش ذخیره‌سازی اکسیژن سبب شده تا وزن و حجم اشغالی در مقایسه با حالت گازی به‌شدت کاهش یافته و درنهایت سبب کاهش وزن باتری گردد.

دکتر لی با استفاده از این‌گونه ترفندها توانسته تا وزن کلی ماشین و همچنین قیمت آن را با طور قابل توجهی کاهش دهد. او علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی با انجام تغییرات خاصی در ساختار این باتری‌ها توانسته گرمای آزاد شده در فرایند شارژ را کاهش داده و به بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم اکسیژنی کمک کند.

با تمام پیشرفت‌های این باتری‌ها همچنان مشکل تولید رطوبت بسیار بالا، آزاد سازی دی اکسید کربن طی فرایندهای شیمیایی و طول عمر این باتری‌ها از مهم‌ترین موانع پیش روی دکتر لی است. با تمام ناکامی‌ها و مشکلات این‌گونه باتری نمی‌توان ویژگی‌های منحصر به فرد و فوق العاده باتری‌های لیتیوم اکسیژنی را نادیده گرفت.

به‌عنوان‌مثال اگر یک باتری معمولی با بیش از حد شارژ کنیم احتمال در ساختار آن شاهد تغییراتی خواهیم بود که باتری را به‌کلی از کار خواهد انداخت و یا منجر به انفجار آن خواهد شد اما دکتر لی باتری لیتیوم اکسیژنی خود را بیش از 15 روز در شارژ قرار داد و با این وجود هیچ تغییری در عملکرد یا ساختار باتری مشاهده نکرد!

تست‌های انجام شده نشان داد که قرار دادن بیش از حد باتری در حالت شارژ هیچ مشکلی را برای آن به وجود نمی‌آورد اما باتری پس از 120 چرخه شارژ و تخلیه عملکرد خود را از دست خواهد داد که این یکی از اساسی‌ترین مشکلات این باتری‌ها است.

کلید کار دکتر لی در ذرات نانومتری موجود در ساختار باتری‌های لیتیوم اکسیژنی بود. او با قرار دادن این ذرات درون ماتریسی از کبالت اکسید موفق شد تا نیکل را از چرخه این باتری‌ها خارج کند. نیکل سبب کاهش عمر مفید باتری و افزایش مدت زمان شارژ آن می‌گردد که دکتر جو لی به‌خوبی با جایگزین کردن کبالت به‌جای نیکل این مشکل را برطرف ساخت و نام ترکیب جدید خود را نانو لیتیا قرار داد.

نانو لیتیا به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خود می‌تواند بین سه حالت جامد، مایع و گاز تغییر شکل داده و باتری را به حداکثر بازدهی و کارایی خود برساند. این ماتریس‌های نانومتری به نحوی طراحی و تولید شده‌اند که علاوه بر بهبود عملکرد باتری سبب افزایش ظرفیت آن و بهبود فرایند شارژدهی در مدت زمان طولانی‌تر خواهند شد.