باتری های لیتیوم یون و حالت جامد چه تفاوت هایی با هم دارند

مدتی است که مفهومی به نام باتری‌های حالت جامد در دنیای فناوری دهان به دهان می‌چرخد. باتری‌های حالت جامد احتمالا پیشرفت بزرگ بعدی در زمینه‌ی فناوری باتری گوشی‌های هوشمند خواهند بود. به طور خلاصه باید گفت که این باتری‌های دارای امنیت بالاتری هستند و می‌توانند انرژی بیشتری در خود ذخیره کنند، بنابراین با استفاده از آن‌ها می‌توان به دستگاه‌هایی باریک‌تر از حد کنونی دست یافت. متأسفانه عامل بازدارنده‌ برای استفاده از این باتری‌ها، قیمت بسیار بالای آن‌ها است که موجب شده نتوان از آن‌ها در گوشی‌های هوشمند با اندازه‌ی متوسط بهره گرفت. البته ممکن است این اوضاع در چند سال آینده تغییر کند.

اگر شما نیز مایل به کسب اطلاعاتی در مورد باتری‌های حالت جامد هستید و تمایل دارید تفاوت‌های این نوع باتری را با باتری‌های لیتیوم یون کنونی بدانید، با زومیت همراه باشید.

تفاوت کلیدی بین باتری‌های لیتیوم یون که در حال حاضر به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند با باتری‌های حالت جامد؛ این است که اولی با استفاده از یک محلول مایع الکترولیتی به جاری کردن جریان الکتریکی می‌پردازد، در حالی که باتری‌های حالت جامد برای این کار از یک الکترولیت جامد بهره می‌برند. الکترولیت باتری، یک ترکیب شیمیائی رسانا است که اجازه می‌دهد تا جریان الکتریکی بین آند و کاتد برقرار شود. باتری حالت جامد هم به همان شیوه‌ی باتری‌های لیتیوم یون فعلی کار می‌کند، اما این تغییر در مواد تشکیل‌دهنده‌ی باتری است که موجب تغییر برخی از ویژگی‌های باتری، از جمله حداکثر ظرفیت ذخیره‌سازی، زمان شارژ، اندازه و ایمنی آن می‌شود.

مزیت مهم سوییچ کردن از یک الکترولیت مایع به نمونه‌ی جامد؛ این است که با این کار، چگالی انرژی باتری افزایش می‌یابد. دلیل این تفاوت این است که در باتری‌های حالت جامد، به جای نیاز به فضای بزرگ بین سلول‌های مایع، تنها به موانعی بسیار نازک برای جلوگیری از اتصال کوتاه نیاز است. جداکننده‌های کنونی مایع باتری، دارای ضخامتی در حدود ۲۰ الی ۳۰ میکرون هستند ولی در تکنولوژی حالت جامد می‌توان ضخامت جداکننده‌ها را به ۳ الی ۴ میکرون کاهش داد؛ بنابراین تنها با تعویض مواد، می‌توان تقریبا ۷ برابر در فضا صرفه‌جویی کرد.

با این حال، این جداکننده‌ها تنها اجزای داخلی باتری نیستند و سایر قسمت‌‌ها را نمی‌توان به همین نسبت کوچک کرد که همین امر موجب قرار گرفتن محدودیت‌هایی بر سر راه یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های باتری‌های حالت جامد یعنی صرفه جویی در فضا می‌شود. با این حال، با تعویض آند با جایگزینی کوچک‌تر، باتر‌ی‌های حالت جامد می‌توانند نسبت به نمونه‌های لیتیوم یون تا ۲ برابر انرژی بیشتری را در حجم یکسان ذخیره کنند.

الکترولیت‌ حالت جامد معمولا واکنش‌پذیری کمتری نسبت نمونه‌های مایع یا ژل متداول کنونی دارد؛ بدین ترتیب انتظار می‌رود که باتری‌های حالت جامد مدت بسیار بیشتری دوام آوردند و بر خلاف باتری‌های کنونی تنها پس از ۲ یا ۳ سال نیازمند تعویض نشوند. این همچنین بدان معنا است که باتری‌ها‌ی حالت جامد حتی اگر آسیب ببینند یا دارای نقصی در فرایند تولیدشان باشند، منفجر نمی‌شوند و آتش نمی‌گیرند و این یعنی امنیت این محصولات برای مصرف‌کنندگان بیشتر است.

در اغلب گوشی‌های هوشمند فعلی، باتری‌ها قابل تعویض هستند و اغلب افرادی که به دنبال استفاده از گوشی هوشمند خود برای چند سال پیاپی هستند؛ می‌توانند پس از خراب شدن باتری گوشی خود، آن را با نمونه‌ای جدید تعویض کنند. باتری گوشی‌های هوشمند اغلب پس از مدتی (فرضا یک سال) شارژ خود را به خوبی روزهای اول نگه نمی‌دارد و این امر می‌تواند موجب ناپایداری سخت‌افزار و ریست شدن گوشی یا حتی پس از چند سال استفاده موجب توقف کارکرد دستگاه شود. با استفاده از باتری‌های حالت جامد، گوشی‌های هوشمند و بسیاری ابزارهای دیگر می‌توانند بدون نیاز به یک باتری جایگزین، مدت‌زمان بسیار بیشتری عمر کنند.

انتخاب یک الکترولیت جامد به جای مایع، ساده‌ترین بخش موضوع است؛ چراکه تعداد بسیار زیادی ترکیبات شیمیایی جامد وجود دارد که می‌توان از آن‌ها در باتری‌های آینده استفاده کرد.

هشت دسته‌ی کلی از باتری‌های حالت جامد وجود دارند که در هر یک از آن‌ها، مواد مختلفی به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار گرفته است. این هشت دسته عبارت‌اند از: لیتیوم هالید، پروسکایت، لیتیوم هیدرید، NASICON مانندها، گارنت، آرگیرودایت، LIPON و LISICON مانندها. از آن‌جا که ما هنوز با یک فناوری نوظهور طرف هستیم، محققان همچنان به دنبال یافتن بهترین نوع الکترولیت حالت جامد برای استفاده در دسته‌بندی‌های مختلف محصولات هستند. هنوز هیچ یک از هشت دسته‌ی بالا نتوانسته‌اند خود را به عنوان سلطان بی‌چون‌وچرای باتری‌های حالت جامد به همگان اثبات کنند؛ اما سلول‌های LiPON و گارنت مبتنی بر سولفید در حال حاضر به عنوان محتمل‌ترین و امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها شناخته می‌شوند. احتمالا متوجه شده‌اید که بسیاری از این هشت نوع باتری هنوز هم در ترکیبات پایه‌ی خود دارای لیتیوم (Li) هستند؛ دلیل این امر استفاده از الکترودهای لیتیوم در آن‌ها است. اما توجه داشته باشید که بسیاری از این باتری‌ها برای بهبود عملکرد دارای مواد جدیدی در الکترودهای آند و کاتد خود هستند.

حتی در انواع باتری‌های حالت جامد نیز دو زیرگروه مشخص وجود دارد: لایه نازک و حجیم. LiPON یکی از موفق‌ترین انواع باتری‌های لایه نازک موجود در بازار است که اکثر تولیدکنندگان آن را با یک آند لیتیوم تولید می‌کنند. الکترولیت LiPON دارای ویژگی‌هایی همچون وزن بسیار کم، ضخامت اندک و حتی انعطاف‌پذیری نسبتا خوب است که آن را برای دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی و اسباب‌بازی‌هایی که نیاز به سلول‌های باتری کوچک دارند، به گزینه‌ای امیدوارکننده تبدیل می‌کند.

LiPON در بحث طول عمر نیز عملکرد خارق‌العاده‌ای دارد، به گونه‌ای که پس از طی ۴۰ هزار چرخه‌ی شارژ و دشارژ، تنها با ۵ درصد کاهش ظرفیت مواجه می‌شود. در مقام مقایسه؛ باتری‌های لیتیوم یون پیش از نشان دادن افت ظرفیت مشابه، تنها می‌توانند ۳۰۰ الی ۱۰۰۰ چرخه‌ی شارژ و دشارژ را طی کنند. این بدان معنا است که باتری‌های ساخته شده با LIPON‌ می‌توانند پیش از نیاز به تعویض، ۱۳۰ تا ۴۰۰ برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یون کار کنند. اما نقطه‌ضعف LIPON‌ این است که ظرفیت ذخیره‌ی انرژی کلی و رسانایی آن نسبتا پایین است.

با این حال، فناوری‌های جایگزین در باتری‌های حالت جامد در آینده می‌توانند عمر باتری طولانی‌تری برای ساعت‌های هوشمند به ارمغان بیاورند. عمر باتری یکی از مشکلاتی است که در حال حاضر موجب شده است بسیاری از افراد تمایلی به خرید ابزارهای پوشیدنی نداشته باشند.

هنوز باتری‌های حالت جامد حتی نتوانسته‌اند خود را به عنوان جایگزینی مناسب برای سلول‌های بزرگ‌تر موجود در گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها مطرح کنند - لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی که دیگر جای خود دارند. برای باتری‌های حالت جامد حجیم و بزرگ‌تر با ظرفیت‌های بیشتر، به خاصیت رسانایی که تقریبا یا دقیقا برابر با نمونه‌هایی با الکترولیت مایع باشد، نیاز است فناوری‌هایی مانند LiPON را از میدان به درکرده و خود جای آن را بگیرد. رسانایی یونی، توانایی یون‌ها را برای حرکت در درون یک ماده‌ی خاص اندازه‌گیری می‌کند. برای باتری‌های بزرگ‌تر، نیاز به رسانایی بالاتری است تا بتوان جریان موردنیاز را تأمین کرد.

باتر‌ی‌های LISICON و LiPS موفق شده‌اند در تحقیقات از باتری‌های Lis (لیتیوم سولفید)، SiS (سیلیسیم سولفید) و LiPO که پیش‌تر سلاطین حوزه‌ی باتری‌های حالت جامد بوده‌اند، سبقت بگیرند. البته این انواع جدید نیز همچنان از پایین بودن رسانایی در دمای اتاق نسبت به الکترولیت‌های ارگانیک و مایع رنج می‌برند. همین نقص تا حدودی موجب غیرعملی بودن ایده‌ی استفاده از آن‌ها در مصارف تجاری شده است.

این نوع باتری‌ها دارای خاصیت هدایت یونی بالایی در دمای اتاق هستند. این همان حوزه‌ای است که تحقیقات در مورد گارنت اکساید (LLZO) در آن قرار می‌گیرد. این ماده دارای حدی از رسانایی (هدایت‌پذیری) است که اختلاف بسیار ناچیزی با اعداد ثبت‌شده توسط باتری‌های لیتیوم یونی مایع دارد. تحقیقات اخیر بر روی مواد جدیدی موسوم به LGPS، نشان می‌دهد که می‌توان رقم رسانایی این مواد را کاملا با باتری‌های لیتیوم یونی برابر کرد. این بدان معنا است که باتری‌های حالت جامد از قدرت و ظرفیتی تقریبا معادل با سلول‌های لیتیوم یون امروزی بهره می‌برند؛ در حالی که دارای مزایایی همچون طول عمر بسیار بیشتر و کاهش اندازه نیز هستند.

گارنت در هوا و آب کاملا پایدار است و همین امر موجب مناسب بودن آن برای استفاده در باتری‌های لیتیوم-هوا می‌شود. متأسفانه برای ساخت این باتری‌ها باید فرایندی پرهزینه را طی کرد. همین امر موجب می‌شود که این باتری‌ها در حال حاضر گزینه‌هایی غیرجذاب برای استفاده در دستگاه‌های کاربران -در مقایسه با سلول‌های لیتیوم یون کم‌هزینه- باشند. در آینده و به دلیل بهبود فرایندهای تولید، هزینه‌های ساخت به‌احتمال زیاد بسیار کمتر خواهند شد، اما در هر صورت هنوز هم تا ساخته شدن یک باتری حالت جامد تجاری و قابل‌دوام فاصله‌ی زیادی داریم.

اگرچه در حال حاضر تحقیقات بسیاری در حوزه‌ی فناوری باتری‌های حالت جامد در حال انجام است؛ اما فعلا و در پیش‌بینی‌های اولیه معتقدیم که سلول‌های باتری حالت جامد تجاری، تا ۴ یا ۵ سال آینده در محصولات مصرفی همچون تلفن‌های هوشمند دیده نخواهند شد. البته این باتری‌های ممکن است از سال آینده در پهپادها مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، محققان در آخرین پژوهش‌های خود موفق به تولید نوعی از باتری شده‌اند که می‌تواند از نظر ویژگی‌های بسیاری با باتری‌های لیتیوم یون موجود رقابت کند و از طرفی مزایای الکترولیت حالت جامد را نیز در خود دارد. تمام چیزی که نیاز داریم این است که فرایندهای ساخت این محصولات برای تولید انبوه به بلوغ برسند. خوشبختانه تعدادی از تولیدکنندگان بزرگ باتری با منابع عظیم خود سخت در حال کار در این حیطه هستند تا بدان واقعیت بخشند.

به طور خلاصه، از جمله مزایای کلیدی این تفاوت‌های شیمیایی از دیدگاه مصرف‌کننده می‌توان تا ۶ برابر سرعت شارژ بیشتر ، تا ۲ برابر چگالی انرژی بالاتر، چرخه‌ی عمر طولانی‌تر از ۱۰ سال در مقایسه با ۲ سال عمر باتری‌های لیتیومی و فقدان هر گونه جزء قابل اشتعال را برشمرد. بدون شک تمامی موارد فوق برای گوشی‌های هوشمند و دیگر ابزارهای قابل‌حمل مزایای بزرگی محسوب می‌شوند.

آیا از باتری لیتیومی گوشی خود راضی هستید؟ نظر شما در مورد فناوری باتری‌های حالت جامد چیست؟