باتری‌ لیتیوم-هوا چیست و چه کاربردی دارد؟

عصر ایران- گزارش تازه یک رسانه فناوری چینی بار دیگر بحث درباره باتری های لیتیوم-هوا را داغ کرده است؛ فناوری امیدوارکننده ای که در محاسبات نظری می تواند امکان پیمایش تا 2000 کیلومتر با یک بار شارژ را فراهم کند و چگالی انرژی آن چند برابر باتری های حالت جامد باشد. با این حال، فاصله میان ظرفیت نظری این شیمی و عملکرد یک باتری کامل خودرو همچنان بسیار زیاد است.

ارتباط این فناوری با شرکت CATL به اظهارات وو کای، دانشمند ارشد این شرکت، بازمی گردد. او در مجمع قدرت صنعتی 2026، باتری های لیتیوم-هوا را یکی از مسیرهای پژوهشی بلندمدت معرفی کرد. با وجود این، CATL تاکنون نه هدف پیمایش 2000 کیلومتری برای خودروهای تولیدی اعلام کرده و نه زمان مشخصی برای عرضه تجاری این فناوری در نظر گرفته است. در نقشه راه این شرکت، باتری های سدیم-یون و تمام حالت جامد به مرحله تجاری سازی نزدیک تری قرار دارند.

چرا باتری لیتیوم-هوا ظرفیت بالایی دارد؟

در باتری های لیتیوم-یون متداول، مواد فعال در هر دو الکترود قرار دارند و یون های لیتیوم هنگام شارژ و تخلیه میان آن ها جابه جا می شوند. اما در باتری لیتیوم-هوا، اکسیژن محیط به عنوان یکی از مواد واکنش دهنده وارد فرایند می شود. هنگام تخلیه، لیتیوم با اکسیژن واکنش می دهد و پراکسید لیتیوم تشکیل می شود. در مرحله شارژ، این واکنش باید معکوس شود.

چگالی انرژی نظری این واکنش حدود 3505 وات ساعت بر کیلوگرم برآورد شده است. ارقام بالاتر، از جمله حدود 12000 وات ساعت بر کیلوگرم، با محاسبه متفاوت و بدون در نظر گرفتن جرم اکسیژن به دست می آیند. هیچ کدام از این اعداد بیانگر چگالی انرژی یک مجموعه باتری آماده نصب در خودرو نیستند؛ زیرا وزن الکترودها، الکترولیت، تجهیزات محافظتی و سامانه مدیریت هوا نیز باید محاسبه شود.

پیشرفت آزمایشگاهی؛ هنوز تا تولید انبوه فاصله است

پژوهشگران در سال های اخیر تلاش کرده اند مشکلات شیمیایی و عمر محدود باتری های لیتیوم-هوا را برطرف کنند. در یک پژوهش منتشرشده در سال 2024 در نشریه Advanced Energy Materials، محققان به سلولی کیسه ای با چگالی انرژی 757.5 وات ساعت بر کیلوگرم و 241 چرخه شارژ و تخلیه در شرایط آزمایشگاهی دست یافتند.

در پژوهشی دیگر که سال 2023 در نشریه Science منتشر شد، محققان موسسه فناوری ایلینوی و آزمایشگاه ملی آرگون معماری متفاوتی از باتری لیتیوم-هوا را آزمایش کردند. این نمونه در دمای اتاق دست کم 1000 چرخه شارژ و تخلیه را پشت سر گذاشت. با این حال، این نتایج هنوز به معنای دستیابی به باتری مناسب خودروهای تولید انبوه نیستند.

سه مانع بزرگ در مسیر استفاده خودرویی

نخستین چالش، مدیریت هواست. اکسیژن مورد نیاز باتری باید وارد سلول شود، اما رطوبت و دی اکسید کربن می توانند واکنش های ناخواسته ایجاد کنند و به اجزای باتری آسیب بزنند. بنابراین، خودرو به سامانه های ورودی هوا، فیلتر و کنترل رطوبت نیاز خواهد داشت؛ تجهیزاتی که وزن، حجم و مصرف انرژی را افزایش می دهند.

دومین مشکل، شارژپذیری و دوام است. تجزیه محصولات واکنش در زمان شارژ می تواند به الکترولیت و سایر اجزای سلول آسیب بزند. همچنین، پایداری الکترود لیتیومی در چرخه های مکرر شارژ و تخلیه همچنان یک چالش مهم محسوب می شود. به همین دلیل، ظرفیت اولیه بالا لزوما به معنای عمر طولانی باتری نیست.

چالش سوم به عملکرد واقعی خودرو مربوط می شود. باتری علاوه بر انرژی ذخیره شده، باید توان کافی برای شتاب گیری و حرکت مداوم فراهم کند و از نظر حجم نیز در فضای محدود خودرو جای بگیرد. بنابراین، چگالی انرژی بالا به تنهایی تضمین کننده پیمایش بیشتر یا عملکرد بهتر نیست.

آیا باتری های حالت جامد راه حل هستند؟

پژوهشگران در برخی معماری های لیتیوم-هوا از الکترولیت جامد برای محافظت از الکترود لیتیومی و بهبود پایداری واکنش ها استفاده می کنند. با این حال، باتری لیتیوم-هوای دارای الکترولیت جامد با باتری حالت جامد لیتیوم-یونی یک فناوری واحد نیست و نباید این دو را با هم اشتباه گرفت.

در حال حاضر، باتری های لیتیوم-هوا همچنان به پیشرفت های اساسی در زمینه دوام، بازده شارژ، مدیریت هوا و کاهش وزن تجهیزات جانبی نیاز دارند. بنابراین، پیمایش 2000 کیلومتری فعلا یک چشم انداز نظری است، نه قابلیتی که CATL در یک خودروی تولیدی به نمایش گذاشته باشد.

تنظیم و ترجمه: مازیار دانیالی

پربیننده ترین پست همین یک ساعت اخیر

شَمبلز ؛ یکی از سالم‌ترین خیابان‌های قرون‌وسطایی اروپا و یک یادآوری از هری پاتر (+عکس)

نظرات کاربران خبر قبل