وقتی باطری ها هم متحول می شوند

تحول باتری ها وفناوری نانو(2)

قسمت اول

شاید مساله مهمی که پس از تولید انرژی مطرح می شود، ذخیره و انباشت حجم زیادی انرژی در فضایی کوچک است. با توجه به اینکه امروزه لوازم سیار و استفاده از آنها گسترش بسیار یافته است. در تمام کاربردها، ایمنی، افزایش انرژی، اندازه كوچكتر و طول عمر طولانی‌تر مطلوب است. توسعه ابرخازن ها و باتری ها به کمک فناوری نانو به این امر کمک کرده است.

تاریخچه ی باتری ها

باتری ها تاریخچه ای 2000 ساله دارند، اولین باتری ها مربوط به پارت ها بوده و در منطقه بغداد یافت شده است. از عمر باتری های جدید فقط 200 سال می گذرد. در سال 1789 میلادی، الکساندر ولتا یک میله مسی و یک میله از جنس روی را در داخل ظرف حاوی اسید کلریدریک نمود، او مشاهده کرد که میله روی به تدریج در داخل محلول اسیدی حل می شود و همزمان پتانسیل الکتریکی مشخصی بین تیغه ها به وجود می آید، به طوری که تیغه مس مثبت و تیغه روی منفی می شود.

این اولین آزمایشی بود که منجر به کشف باتری ها گردید. به همین دلیل نام ولتا را روی نیروی محرکه تولید شده گذاشتند و از آن به بعد واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی ولت نامیده شد. اولین نمونه باتری در سال 1868 میلادی ساخته شد. در این باتری از فلز روی به عنوان قطب منفی و یک میله متشکل از پودر فشرده دی اکسید منگنز به عنوان قطب مثبت استفاده شد. محلول کلرید آمونیوم در یک ظرف شیشه ای الکترولیت این باتری بود. این باتری مشکلات زیادی داشت. ظرف شیشه ای و الکترودهای این باتری شکننده بودند و نمک آمونیاک نیز به عنوان اسیدی خطرناک شناخته می شود. این باتری عمر چندانی هم نداشت. در سال 1888 میلادی اولین نمونه باتری خشک ساخته شد. در این باتری یک ظرف از جنس روی به عنوان قطب منفی و یک تیغه ذغالی به عنوان قطب مثبت و مخلوط خمیری شکل از کلرید روی و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت استفاده نمود. در سال1890 باتریهای خشک به تولید انبوه رسید و تا به حال تغییری نکرده است. اما نیازهای روز افزون به برق سیار توسعه هر چه بیشتر باتری ها را منجر شده است. در باتری های امروزی مواد گوناگون از قبیل روی و کربن تا جیوه، لیتیوم، نقره و کادمیوم مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع باتری ها

باتری ها مولدهای شیمیایی هستند که فعل و انفعال شیمیایی داخل آنها باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود و معمولاً یک الکترولیت (محیط انتقال یونها) و دو تیغه غیر هم جنس تشکیل شده است. باتری ها به دو دسته باتری های اولیه و باتری های ثانویه تقسیم می شوند. نوع اولیه به باتری های های غیر قابل شارژ و نوع ثانویه به باتری های قابل شارژ معروفند. در باتری های اولیه که به باتری های یک طرفه نیز معروف هستند، فعل و انفعال شیمیایی تنها یک طرفه انجام می پذیرد. این باتری ها پس از مدتی کار ضعیف شده و از بین می روند. در باتریهای ثانویه یا دو طرفه، فعل و انفعال شیمیایی دو طرفه بوده و در صورت ضعیف شدن باتری می توان آنها را مجدداً شارژ و قابل استفاده نمود.

واکنش شیمیایی است که برق باتری ها را ایجاد می کند. لیتیومی که در قطب منفی(آند) قرار گرفته است، به صورت یون درآمده و یک نمک لیتیومی ایجاد می کند و از طریق یک پلیمر متخلخل به سمت قطب مثبت(کاتد) می رود. واکنش الکترون آزاد می کند و یک جریان در مدار خارجی ایجاد می کند. با اعمال ولتاژ خارجی به کاتد واکنش در جهت عکس انجام می شود و یون ها را به آند باز می گرداند و باتری مجدداً شارژ می شود.

در باتری های کوچک ساعت یونهای لیتیوم از جدا کننده عبور کرده و جریان ایجاد می کنند. این انتقال معکوس پذیر نیست، بنابراین این باتری ها قابل شارژ نیستند.

باتری های لیتیوم یونی انرژی زیادی را در ورقه های ساندویچ شده فشرده که با یک جدا کننده از هم تفکیک شده اند و همگی در یک الکترولیت شناور هستند ذخیره می کند. برای جلوگیری از داغ کردن باتری یک خروجی به گاز حاصل از واکنشها اجازه خروج می دهد. اگر گاز با سرعت ایجاد شود، زوار باتری می ترکد و باتری از کار می افتد. وقتی از بیرون اتصالی شود، قطعه قطع جریان کشیده شده و جریان باتری را قطع می کند. باتری لپ تاپ از مجموعه ای از باتری های لیتیوم یونی تشکیل شده است که یک گرماسنج داغ شدن آن را گزارش می کند.

تحول باتری لیتیومی

افزایش نیاز به انرژی سیار با تراکم بالا با توجه به رشد ابزارهای مینیاتوری نازک، نیاز به توسعه باتری ها و منابع انرژی را دو چندان می کند. مصرف برق نهایی زمانی اهمیت بیشتری پیدا می کند که رفته رفته ابزارهای الکترونیکی بیشتری در وسایل به کار برده می شود..

در بین انواع منابع ذخیره انرژی شامل خازن های قدیمی، ابرخازن ها، باتری های جدید، باتری های قدیمی و پیل های سوختی بهترین این منابع باتری ها هستند، باتری ها به سمت کوچک تر و سبک شدن می روند و روز به روز کارآیی و ثبات آن ها بیشتر می شود. تراکم بالاتر برای ذخیره انرژی در بسته های کوچک تر برای حصول قابلیت های جدید مانند ابزارها و تلفن های نازک لازم است. افزون بر این مشتری به هزینه پایین رغبت بیشتری دارد و این در بازارهای وسیع حساسیت بیشتری دارد.

زمان شارژ امروزه یک فاکتور مهم و اندک بودن آن، گاه ضروری است. شیوه ذخیره برق در خازن ها بهتر از باتری هاست. با لحاظ سرعت ابرخازن ها برای ذخیره انرژی بسیار مناسب اند ولی چگالی انرژی آن ها  نسبت به باتری ها و پیل سوختی کم است؛ لذا برای مشکل انرژی مورد استقبال قرار نمی گیرند. باتری های لیتیوم یونی سبک هستند و چگالی انرژی و چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به انواع قدیمی تر باتری ها مانند باتری های نیکل کادمیوم دارند.

تأثیر فناوری نانو در حوزه باتری بسیار گسترده بوده است. شرکت توشیبا نوعی باتری لیتیومی ساخته است که زمان شارژ را فوق العاده کاهش می دهد. این باتری می تواند 80 درصد از ظرفیت انرژی باتری را تنها در عرض یک دقیقه، یعنی تقریباً 60 برابر سریع تر از باتری های لیتیومی که امروزه به طور گسترده ای در بازار استفاده می شوند، شارژ کند و علاوه بر این، دارای چگالی انرژی بالایی بوده و در نتیجه کارایی آن بسیار افزایش یافته است. در بسیاری از سامانه های نیازمند به باتری مساله جذب انرژی از منابع محیطی مانند نور خورشید و امواج رادیویی نیز مطرح است. فناوری های فعلی می توانند از امواج رادیویی 10 تا 30 میلی وات استخراج کند.

باتری کاغذی با کمک فناوری نانو

باتری ای که شبیه یک تکه کاغذ است می تواند نسل جدیدی از باتری های قابل ارتجاع ،ارزان و دوستدار محیط زیست ایجاد کند.

دانشمندان موفق شدند کاغذ پوشیده شده از جوهر ساخته شده از نانو مواد نقره و کربن را به یک "باتری کاغذی" تبدیل کنند.

این فناوری راه را برای ساخت انواع جدید وسایل سبک ذخیره انرژی که کارایی بالا دارند، هموار می سازد.

مطالعه ای که پیش از این انجام شده بود، نشان داد می توان از نانو سیم های سیلیکونی برای ساخت باتری هایی 10 برابر قوی تر از باتری های یون - لیتیوم استفاده کرد.

این باتری ها برای بکار انداختن دستگاه هایی مانند لپ تاپ ها استفاده می شود.دانشمندان در تحقیقی که در "گزارش آکادمی ملی علوم" منتشر شد، نوشتند: با استفاده از کاغذ رسانا به عنوان الکترود و جمع کننده های جریان، ساخت ابزارهای ذخیره انرژی ارزان قیمت، سبک و با کارایی بالا محقق می شود.

دانشمندان گفتند: این نوع باتری می تواند در بکار انداختن خودروهای الکتریکی یا دوگانه سوز نیز مفید باشد. این باتری باعث می شود که وسایل الکترونیکی سبک تر و بادوام تر شوند و ممکن است روزی به ساخت وسایل الکترونیکی کاغذی بینجامد..

عمر و وزن باتری مانعی بر سر راه تجاری سازی خودروها و کامیون هایی بوده است که با انرژی برق کار می کنند.

ابرخازن های کاغذی ما علاوه بر اینکه برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل مناسب است، می تواند برای تمام انواع کاربردهایی که به انرژی بالایی نیاز دارد، مورد استفاده قرار گیرد.

از آنجا که باتری ها و ابرخازن های کاغذی ما می توانند بسیار ارزان قیمت باشند، برای ذخیره انرژی متصل به شبکه برق نیز خوب هستند.

    ادامه دارد...

منبع: edu.nano-iproje- sciencedaily- ieee- nano--understandingnano

مطالب مرتبط:

فناوری نانو و تلفن همراه

ای محکم وایمن با فناوری نانو

ارتقای مقاومت سازه‌های آبی با فناوری نانو