برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۶/۱۰/۳۰ تا ۱۳۹۶/۱۱/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۰۵۵
  • بازدید این ماه ۴
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۰
  • قبول شدگان ۵۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

فناوری نانو و نسل جدید باتری‌‌های اتومبیل‌‌های برقی، فراتر از باتری‌‌های یون لیتیم

باتری‌‌های اتومبیل‌‌های برقی‌ای‌ که در ‌آینده وارد بازار خواهند شد باید الزامات اتومبیل و الزامات بازار را برآورده سازند. مواردی که ‌از اهمیت بیشتری برخوردارند عبارتند از: ظرفیت ذخیره‌سازی بالای انرژی، نیمه‌عمر بالا و پایدار (چرخه‌عمر طولانی)، شارژشدن سریع، و ایمنی‌ بالا. هم‌اکنون، باتری‌‌های یون لیتیم که از جمله پرمصرف‌ترین باتری‌های متداول هستند در اتومبیل‌‌های برقی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیش‌بینی می‌شود از این باتری‌ها تا سال ۲۰۲۰ استفاده شود (در حدود ۲۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم، که‌ یک باتری ۲۰۰ کیلوگرمی امکان طی مسافتی معادل ۳۵۰ کیلومتر را فراهم می‌کند‌‌‌).
برای افزایش کارآیی اتومبیل‌های برقی نیاز به توسعه فناوری‌های جدید مربوط به باتری‌ها است، به‌گونه‌ای که بتوان از آن‌ها در تجهیزات موتور‌های با احتراق داخلی (درون‌سوز) متداول نیز استفاده نمود. باتری‌های ‌لیتیم-هوا، لیتیم-سولفور، روی-هوا، و باتری‌های منیزیومی از جمله فناوری‌هایی هستند که در مرحله‌ تحقیقات به‌سر می‌برند. این قبیل فناوری‌‌ها، در مرحله‌‌ کاربرد، مسائل و مشکلاتی را نیز به‌وجود خواهند آورد. فناوری نانو در غلبه بر این مشکلات و معرفی باتری‌های جدید برای خودروهای برقی‌‌‌‌ چه نقشی خواهد داشت؟
1. راه‌ کارهای‌ پیشنهادی فناوری نانو و میزان ارزش افزوده حاصل‌ از به‌کارگیری این فناوری در باتری‌‌های جدید
به‌تازگی، در طراحی باتری‌‌های یون لیتیم از ساختارهای نانویی (کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر) استفاده می‌شود. به‌طور مثال، A123 systems، باتری‌‌های لیتیم فسفات‌ آهن، و همچنین Altair Nanotechnologies و لیتیم تیتانات، را به‌عنوان مواد تشکیل‌دهنده الکترود باتری توسعه داده است. تولید ذرات کوچک‌تر، پوشش‌دهی ذرات در کربن، آمیخته‌کردن مواد کاتد با الیاف رسانا، کوتاه‌کردن مسیر نفوذ با به‌کارگیری نانوساختارها و آلاییدن آن‌ها به‌وسیله افزودنی‌‌های مختلف از جمله روش‌‌های افزایش کارآیی الکترودها و الکترولیت‌‌های باتری‌ها است. شایان ذکر است که به‌کارگیری فناوری نانو در صنعت باتری‌‌سازی هم مزایا و هم معایب دارد.
مزایا:
• انجام واکنش‌‌های الکترود بدون این‌که سایر مواد میکرونی تشکیل‌دهنده الکترود در آن شرکت کنند. به‌طور مثال، واکنش برگشت‌ناپذیر لیتیم در داخل دی‌اکسید منگنز بدون تخریب ساختار روتایل.
• کاهش اندازه و ابعاد منجر به افزایشی قابل توجه در سرعت ورود/ خروج یون لیتیم شده ‌است، زیرا فاصله انتقال یون لیتیم را به حداقل می‌رساند.
• زمان نفوذ از رابطه t=L2/D به‌دست می‌آید؛ L نشان‌دهنده طول مسیر نفوذ و D نشان‌دهنده ثابت نفوذ است. مدت‌زمان لازم برای نفوذ با مربع اندازه ذرات (از میکرومتر به نانومتر) کاهش می‌یابد.
• با به‌کارگیری نانوذرات، انتقال الکترون در داخل ذرات با سرعت بیشتری انجام می‌شود و این موضوع برای یون‌‌های لیتیم نیز معتبر است.
• مساحت سطح بالا سبب افزایش سطح تماس ذره با الکترولیت می‌شود و این امر در نهایت به افزایش سرعت جریان یون لیتیم در سطح مشترک می‌انجامد.
• برای ذرات بسیار کوچک پتانسیل شیمیایی برای یون‌‌های لیتیم و الکترون‌ها ممکن است اصلاح شود و این باعث تغییر پتانسیل الکترود خواهد شد (ترمودینامیک واکنش).
• گستره ترکیباتی که در محلول‌های جامد وجود دارند اغلب به نانوذرات مربوط می‌شود و به‌همین دلیل، واکنش‌های بین لایه‌‌ای بهتر انجام می‌شوند.

filereader.php?p1=main_be08c54d5ab8a1204
شکل1. طرحواره‌ای از باتری‌های یون لیتیم، لیتیم/ اکسیژن آبی و غیرآبی، لیتیم/ سولفور
سازوکار: ۱) سطح زبر لیتیم در طول چرخه؛ ۲) تخلیه لیتیم/ الکترولیت

معایب:
• ممکن است سنتز نانوذرات مشکل باشد؛ همچنین، ممکن است کنترل اندازه ذرات به‌سختی انجام شود.
• سطح مشترک زیاد بین الکترود و الکترولیت ممکن است باعث ایجاد واکنش‌‌های جانبی با الکترولیت شود و کنترل تماس و برخورد بین ذره‌‌ای مشکل شود.
• معمولاً چگالی نانوپودرها کمتر از چگالی میکروذرات همان مواد است. در نتیجه، حجم الکترود افزایش یافته و چگالی‌ حجمی انرژی کاهش می‌یابد.
• ممکن است ویژگی‌‌های مشابه با نانو در دیگر فناوری‌های جدید باتری‌ها نیز مشاهده شود.

1.1. لیتیم-سولفور
باتری‌های لیتیم-سولفور دارای پتانسیل بالقوه چگالی انرژی بالا (در حدود ۲۶۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم) هستند. چگالی‌ انرژی عملی این باتری‌ها درحدود ۲۵۰-۵۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم است. ظرفیت باتری‌های لیتیم-سولفور از ظرفیت باتری‌های یون لیتیم بیشتر است و این به‌ روش جذب یون‌ها در سطح الکترودها مربوط می‌شود. در الکترودهای سولفوری هر اتم سولفور به‌عنوان اتم میزبان می‌تواند دو یون لیتیم را دربر بگیرد. در باتری‌های یون لیتیم هر اتم میزبان 0/5 تا 0/7یون لیتیم را دربر می‌گیرد.

filereader.php?p1=main_d46ba8e73fc834813
شکل2. فناوری باتری لیتیم/ سولفور

فناوری ساخت باتری‌های لیتیم-سولفور مشابه با باتری‌های یون لیتیم است. این فناوری سهل و آسان است. فناوری باتری‌های لیتیم-هوا پرهزینه است و برای مطابقت‌دادن واحد‌های تولید باتری و واحدهای تولید اتوموبیل، نیاز به سرمایه‌گذاری کلان دارد. این فناوری مشابه فناوری پیل‌های سوختی است.

برخی از چالش‌هایی که فناوری باتری‌های لیتیم-سولفور با آن مواجه است عبارتند از:

انرژی ویژه پایین در سطح سلول (به‌صورت تئوری، ۲۵۰-۵۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم در مقابل ۲۶۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم انرژی ویژه کاتدی):
دانسیته انرژی‌ای که محققان گزارش کرده‌اند ۲ تا ۵ برابر بیشتر از باتری‌های متداول یون لیتیم است. ساخت موادی که این چنین ظرفیت تئوری بالایی را ایجاد کنند به‌عنوان یک چالش مطرح است. موضوع دیگری که از اهمیت بالایی برخوردار است این است که سولفور عایق است و حرکت الکترون‌ها و یون‌ها در آن به‌سختی انجام می‌پذیرد. از نظر تئوری، هر اتم سولفور می‌تواند دو اتم یون لیتیم را دربر بگیرد. درحقیقت، اتم‌های یون سولفور که نزدیک سطح مواد قرار دارند یون‌های لیتیم را دربر می‌گیرند. اندازه‌گیری دقیق چگالی انرژی در باتری کامل، پتانسیل واقعی بازار را در خصوص این فناوری مشخص می‌کند. اگر سود و منفعت موجود در چگالی انرژی بالا نباشد، ارزش سرمایه‌گذاری در این فناوری زیر سوال می‌رود.

filereader.php?p1=main_f450725dc8e24d944
شکل3. ساختار باتری‌های جدید لیتیمی عاری از فلز

ایمنی، متناسب با واکنش‌پذیری فلز-لیتیم:
در فرایند به‌کارگیری باتری، الکترود لیتیم ساختار دندریتی یا شاخه‌ای پیدا می‌کند که باعث کوتاه‌شدن مدار می‌شود. اگر درجه حرارت باتری بالا برود، فلز ذوب می‌شود. اگر لیتیم مذاب به خارج از سلول نشت کند و وارد فاز آبی بشود، آتش‌سوزی رخ خواهد داد. این موضوع در نیمه‌عمر کاری باتری بسیار مهم است. محققان درصدد هستند تا از کوپل‌شدن لیتیم-فلز الکترولیت جلوگیری کنند و آن را آند محافظت‌شده لیتیم نامیده‌اند. دانشمندان دیگری نیز در خصوص جایگزینی فلز-لیتیم با دیگر مواد، موادی که قابلیت شاخه‌ای‌شدن نداشته باشند، تحقیقاتی انجام داده‌اند.

چرخه‌پذیری (cyclability):
در فرایند شارژ، سولفور با یون‌های لیتیم پیوند شیمیایی تشکیل می‌دهد و ترکیب دی‌لیتیم سولفید به‌وجود می‌آید. در این فرایند محصولات حد واسطی نیز تشکیل می‌شوند که پلی‌سولفیدها نامگذاری شده‌اند. پلی‌سولفیدها به‌آسانی در الکترولیت حل می‌شوند و می‌توانند در آند واکنش دهند؛ بنابراین، به‌طور پیوسته مقداری از مواد فعال (سولفور) تلف شده و در نهایت، باعث کاهش ظرفیت در طول فرایند چرخه می‌شود (0/4-0/1درصد در هر چرخه). در چنین سیستم‌هایی عمر چرخه محدود است (۵۰-۱۰۰ چرخه). برای به‌کارگیری باتری‌ها در سیستم اتوموبیل‌های برقی، باید عمر چرخه‌ای معادل ۱۰۰۰-۵۰۰۰ چرخه تامین شود.
موضوع دیگر این است که از لحاظ ترمودینامیکی، الکترولیت در پتانسیل‌های لیتیم پایین و سرعت‌های بالای خودشارژی (۸-۱۵ درصد در ماه) پایدار نیست.
پروفسور «کلار گری» از دانشگاه کمبریج، از رزونانس مغناطیس هسته‌ای (NMR) برای بررسی تخریب الکترولیت (تخریب درجا) استفاده کرده است. دکتر «کاترینا ایفنتیس،» از دانشگاه آریستول واقع در تسالونیکی، از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای بررسی ویژگی‌های مکانیکی آند استفاده کرده است. در این روش تغییرات میکروساختاری که سولفور در طول فرایند ورود لیتیم متحمل می‌شود مورد بررسی قرار می‌گیرد. تا کنون، از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای بررسی کاتدهای سولفور و همچنین آندهای قلع و سیلیکون استفاده نشده است. تخریب مواد تشکیل‌دهنده آند، مانند قلع و سیلیکون، با شدت زیادی انجام می‌شود، زیرا در فرمولاسیون فازهای غنی از لیتیم امکان انبساط حجم آند تا ۳۰۰ درصد نیز وجود دارد.

filereader.php?p1=main_0bf1657f9106005f1
شکل4. نانوسیم‌های آلفا-دی‌اکسید منگنز

کاربردهای مختلف فناوری نانو در باتری‌های لیتیم-سولفور عبارتند از:
• باتری‌های قابل شارژ جدید سیلیکون/ دی‌لیتیم سولفور با انرژی ویژه بالا و ساختار نانویی (کاتد از جنس نانوکامپوزیت کربن مزوپور/ دی‌لیتیم سولفور؛ آند از جنس نانوسیم‌های سیلیکونی).
• کاتدهایی از جنس سولفور پوشش داده‌شده با نانوالیاف توخالی کربنی جهت استفاده در باتری‌های لیتیمی قابل شارژ با ظرفیت ویژه بالا. پروفسور «یی کوی» از دانشگاه استنفورد، با به‌کار‌گیری فناوری نانو، این نوع از باتری‌های لیتیمی را توسعه داده است.
• بهبود کارآیی باتری‌های لیتیم-سولفور با به‌کارگیری پوشش‌هایی از پلیمر‌های رسانا.
• کاتدهایی از جنس سولفورهای حاوی گرافن در ساخت باتری‌های قابل شارژ لیتیم-سولفور که ظرفیت و پایداری چرخه بالایی دارند.
• کاتدهای از جنس نانوکامپوزیت‌های سولفور-اکسید گرافن (GO - S) .
• کاتدهای از جنس نانولوله‌های کربنی بی‌نظم اشباع‌شده با سولفور برای باتری‌های لیتیم سولفور.
• الکترولیت‌های پلیمری حاوی نانوذرات دی‌اکسید زیرکونیم برای باتری‌های قلع-سولفور.
• آندهایی از جنس نانوکامپوزیت‌های کربن-سیلیکون برای باتری‌های سیلیکون-سولفور عاری از فلز.
برای غلبه بر چالش‌های گفته‌شده در بالا، توسعه مولکول‌ها و افزودنی‌های جدید جهت ساخت الکترولیت‌ها، کاتدهای سولفوری، و آند‌های لیتیمی محافظت‌شده ضروری به‌نظر می‌رسد. در زمینه میکرومولکول‌های جدید تحقیق و توسعه بیشتری نسبت به نانومولکول‌های جدید در حال انجام است. به‌رغم این‌که محققان دانشگاهی بر روی مولکول‌های جدید با ساختار نانویی تحقیقات زیادی انجام می‌دهند، کارشناسان صنعتی تاکید دارند که در حال حاضر نانومواد نمی‌توانند در غلبه بر مشکلات اساسی‌ای که فناوری باتری‌های لیتیم-سولفور با آن مواجه است نقش به‌سزایی ایفا کنند.

2. باتری‌های لیتیم-هوا
در سال‌های اخیر، باتری‌های لیتیم-هوا از جمله باتری‌هایی بوده که توجه محققان را به خود جلب کرده است؛ دلیل عمده این توجه چگالی انرژی ویژه بالای آن‌ها است (به‌صورت تئوری، بیش از ۱۰۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم). در عمل این مقدار بسیار اندک است و چگالی انرژی به یک دهم مقدار ذکرشده نیز می‌رسد. به‌تازگی، گزارشی چاپ شده است که در آن چگالی انرژی باتری لیتیم-هوا به‌میزان ۳۶۲ وات ساعت بر کیلوگرم ذکر شده است؛ این مقدار در حدود ۲ برابر چگالی انرژی باتری‌های یون لیتیم متداول است.
باتری‌های لیتیم-هوا نیز با چالش‌هایی در مورد الکترودها و الکترولیت‌ها مواجه‌اند. با به‌کار‌گیری فناوری نانو امکان غلبه بر چالش‌های مذکور فراهم می‌شود.

چالش‌هایی که باتری‌های لیتیم-هوا با آن مواجه‌اند عبارتند از:
• آند: باید بتواند دی‌اکسید کربن و آب را در خود نگه دارد و اکسیژن را عبور دهد؛ ممکن است این امر با به‌کار‌گیری غشاهای نانوحفره ممکن شود.
• ولتاژ: اختلاف ولتاژ بین شارژ و دشارژ باید کاهش یابد.
• کاهش ظرفیت بعد از چند سیکل محدود.
• الکترولیت: پایداری پنجره، رسانایی، فراریت، حلالیت اکسیژن، و نفوذ‌پذیری.

شرکت IBM تحقیقی روی ۵۰۰ باتری انجام داده و اشاره داشته است الکترولیت‌هایی که در باتری‌های یون لیتیم به‌کار گرفته می‌شوند در باتری‌های لیتیم-هوا کارآیی ندارند و تخریب می‌شوند؛ این در حالی است که الکترولیت‌های دیگری که برای باتری‌های لیتیم-هوا استفاده شده بودند، کارآیی خوبی در شارژ و دشارژ از خود نشان داده‌اند. در نتیجه‌گیری این گزارش گفته شده است که انتخاب نوع الکترولیت از جمله پارامترهای مهم و بحرانی در باتری‌ها است. تخریب و مصرف الکترولیت‌ها در بسیاری از کاربردها مشاهده شده است. الکترولیت‌های پلیمری یا سیلانی نتایج خوبی نشان داده‌اند.
الکتروسینتیک: به‌طور کلی، سرعت واکنش بین اکسیژن و لیتیم کند است و برای به‌کار‌گیری در اتومبیل کارآیی مناسبی نخواهد داشت. کارآیی باتری‌های فلز-هوا، بیشتر به‌دلیل فعال‌سازی واکنش‌های تدریجی و واکنش‌های احیای اکسیژن، محدود است. افزایش مساحت سطح الکترودها می‌تواند باعث افزایش سرعت واکنش‌ها بر روی سطح الکترودها شود و در شارژ و دشارژ باتری‌ها نیز موثر خواهد بود. نقش سینتیک واکنش‌های اکسیژن به‌خوبی شناخته شده است، اما سازوکار‌های دیگری نیز وجود دارند که تنها از طریق مطالعات ماکروسکوپی بررسی شده‌اند.
مطالعه‌نکردن ساختارهای نانویی، مانع بهینه‌سازی مواد به‌کار گرفته‌شده در ساختار باتری‌ها خواهد شد. در این زمینه میکروسکوپ کرنش الکتروشیمیایی (ESM) می‌تواند مفید باشد.

کاربردهای مختلف فناوری نانو در باتری‌های لیتیم-اکسیژن به شرح زیر است:
• نانوذرات پلاتین-طلا: الکترولیت دوعاملی بسیار فعال برای باتری‌های قابل شارژ لیتیم-هوا.
• الکترودهایی از جنس گرافن‌های متخلخل، مورد استفاده در باتری‌های لیتیم-هوا.
• نانوسیم‌های آلفا-دی‌اکسید منگنز: یک کاتالیزور برای الکترودهای اکسیژن در باتری‌های قابل شارژ لیتیمی.
• نانوکاتالیزورهای پالادیم و اکسید پالادیم بر روی کاتدهای هوا.
• الکترودهای فیلم لایه ‌نازک از جنس نانوساختار‌های کربنی شبیه الماس، برای باتری‌های لیتیم-هوا.
• نانوصفحه‌های گرافنی آلاییده‌شده با نیتروژن به‌عنوان کاتد در باتری‌های لیتیم-اکسیژن با ظرفیت بالا. این مواد فعالیت الکتروکاتالیزی بسیار بالایی دارند.
• الکترودهای نانوساختار برای باتری‌های یون لیتیم و باتری‌های لیتیم-هوا: توسعه، چالش، و چشم‌انداز‌ها.
• الکترودهای هوا از جنس نانوکامپوزیت اکسید سدیم/ نانولوله کربنی برای باتری‌های لیتیم-هوا.

3. باتری‌های چندظرفیتی: آند منیزیومی
در باتری‌هایی که از یون چندظرفیتی مانند یون کلسیم (Ca+2)، یون منیزیوم (Mg+2)، و یون ایتریم (Y+3) به‌جای یون‌های تک‌ظرفیتی لیتیم استفاده می‌کنند تعداد الکترون‌هایی که در ولتاژ سلول به‌ازای هر کاتیون انتقال می‌یابد افزایش پیدا می‌کند. از آن‌جا که در باتری‌های لیتیمی لیتیم بخش کوچکی از مواد فعال به‌حساب می‌آید، جایگزین‌کردن آن با کاتیون سنگین‌تر، که دو برابر آن ظرفیت شارژ دارد، می‌تواند باعث افزایش قابلیت ذخیره‌سازی انرژی در باتری شود. از طرف دیگر، نفوذ کاتیون‌های چندظرفیتی از کاتد نسبت به یون‌های لیتیم به‌آهستگی صورت می‌گیرد و آند و الکترولیت‌های مناسب این کاتیون‌ها توسعه پیدا نکرده است.

filereader.php?p1=main_af7aa7d27b1521206
شکل5. سطح آمادگی فناوری‌های باتری (اتومبیل)

هزینه پایین و شاخه‌ای‌نشدن فلز منیزیوم از جمله مزایایی است که منیزیوم را به‌عنوان ماده‌ای مناسب در ساخت آند باتری‌های لیتیمی اصلاح‌شده مطرح می‌کند. به‌طور کلی، مزایای آند منیزیومی عبارتند از: نداشتن رشد شاخه‌ای، ایمنی بیشتر از لیتیم در مواقعی که در معرض هوا قرار می‌گیرد، فراوانی نسبت به لیتیم در قشر زمین (۲۴ برابر ارزان‌تر از لیتیم)، و دو برابربودن ظرفیت حجمی منیزیوم نسبت به فلز لیتیم.
مهم‌ترین چالش‌هایی که باتری‌های منیزیومی با آن مواجه‌اند عبارتند از: یافتن حلال‌های جدید برای سهولت در انحلال پلی‌سولفیدها، بهینه‌سازی مورفولوژی کاتدی سولفور، و توسعه الکترولیت‌های غیرخورنده با پنجره الکتروشیمیایی وسیع که برای کاتدهایی با ولتاژ بالا (بزرگ‌تر از 3/5 ولت) نیاز است.
به‌تازگی، توسعه الکترولیت‌های منیزیوم با پیشرفت مناسبی در حال انجام است، زیرا ویژگی‌های الکترولیت حاکی از سطح طبقه‌بندی کاتدهای مورد استفاده است. در یک تبدیل منحصربه‌فرد کاتد، به‌وسیله فرایند کریستالیزاسیون در محل، منیزیوم ارگانوهالوآلومینات به‌دست آمده است. در این فرایند، سولفور الکترون‌خواه در الکترولیت هسته‌دوست با آند منیزیومی درهم آمیخته می‌شود. بدون شک، الکترولیت‌های غیرهسته‌دوست می‌توانند موضوع تحقیقات فراوانی در باتری‌های منیزیوم/ سولفور باشند.
پروفسور «دورن اورباخ» در توسعه باتری‌های منیزیومی قابل شارژ تلاش فراوانی انجام داده است. در سال ۲۰۰۰، پروفسور اورباخ و همکارانش دو مشکل باتری‌های منیزیوم/ سولفور، گفته‌شده در بالا، را حل کرده‌اند. این تیم تحقیقاتی از الکترودهای محلول نمک ارگونوهالوآلومینات و کاتدهای سولفور مولیبدن/ منیزیوم به‌فرمول «MgxMo3S4» در ساخت نمونه اولیه باتری‌های منیزیوم استفاده کرده است. این باتری به‌اندازه یک مانیتور رایانه است.

4. باتری‌های قابل شارژ روی-هوا
باتری‌های روی-هوا، که شامل آند از جنس روی و الکترولیت قلیایی‌ هستند، این خصوصیات را دارند: سادگی، ارزانی، غیرسمی‌بودن، و نیمه‌عمر بالا. با وجود مزایای باتری‌های مذکور، مهندسان نتوانسته‌اند مشکل شارژ آن‌ها را حل کنند. در سال ۲۰۰۷، شرکت آمریکایی spin – off اعلام کرد با به‌کار‌گیری الکترودهای متخلخل و الکترولیت‌های حاوی محلول آبی یون‌های روی و افزودنی، موفق به حل مشکل فوق شده است، اما تا کنون نمونه اولیه‌ای از آن تولید نشده است.
در اروپا پروژه‌ای با عنوان FP7 project polyzion (www.polyzion.eu) در مورد باتری‌های روی-هوا تعریف شده است و پیش‌بینی می‌شود تا سپتامبر ۲۰۱۲ به انجام برسد. از جمله اهداف این پروژه توسعه سلول‌های روی با سیستم اکسایش-کاهش Zn / z پایدار و برگشت‌پذیر است. مزایای این نوع باتری عبارتند از: کارآیی بالای شارژ و دشارژ، قابلیت چرخه بالای ۹۰ درصد، و چرخه در حدود ۱۰۰۰ بار. در این سیستم از الکترولیت مایع یونی، نانوبلورهای روی، و الکترودهای پلیمر رسانا استفاده خواهد شد. ساخت مایعات یونی به‌عنوان الکترولیت از جمله موانعی است که بر سر راه این نوع باتری‌ها قرار دارد؛ این مواد تا کنون تنها در مقیاس آزمایشگاهی تولید شده است.
باتری‌های روی-هوا گزینه مناسبی برای اتومبیل‌های برقی نیستند، اما می‌توانند به‌عنوان منبع انرژی پشتیبان در کاربردهای استاتیک به‌کار گرفته شوند.

5. اثرات اقتصادی/ صنعتی
در سال ۲۰۲۰، میزان تقاضا برای باتری‌های مورد استفاده در اتومبیل‌های برقی به ۷۰ میلیون کیلووات ساعت و هزینه هر کیلووات ساعت به ۲۰۰ پوند خواهد رسید. طبق پیش‌بینی‌های انجام‌شده، بازار این باتری‌ها به ۱۴ میلیارد پوند خواهد رسید. برای این‌که میزان تقاضای ذکرشده تحقق بیابد، تعداد اتومبیل‌های استفاده‌کننده از این باتری‌ها نیز باید تامین شود. شرکت BASF پیش‌بینی کرده است که در سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ ظرفیت باتری‌های لیتیم-سولفور به‌میزان ۵۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم خواهد رسید؛ این میزان معادل مسافت ۵۰۰ کیلومتر است. مراکز تحقیق و توسعه شرکت BASF بر روی فناوری باتری‌های لیتیم-هوا و دیگر فناوری‌ها مطالعات گسترده‌ای انجام می‌دهند. این شرکت اعلام کرده است که تا قبل از سال‌های ۲۰۳۰ تا ۲۰۴۰ امکان ورود باتری‌های لیتیم-هوا به بازار فراهم نخواهد شد.
بر اساس اظهارات شرکتThierry koskas، از شرکت‌های تابعه «رنو»، مبلغ ۲۰۰ پوند به‌ازای هر کیلووات ساعت در ۱۰ سال عمر باتری (۱۰۰۰-۲۰۰۰ چرخه) باعث خواهد شد قیمت اتومبیل‌های برقی از قیمت موتور‌های احتراقی درون‌سوز کمتر شود (در حدود 0/1 پوند به‌ازای هر کیلومتر). انرژی پایداری، طول عمر، و کاهش قیمت باتری‌ها از جمله پارامترهایی است که در کاهش هزینه‌ها و قیمت‌ها تاثیر مهم و به‌سزایی خواهد داشت.
شرکت «فورد» روی کاهش اندازه و وزن باتری‌ها، در عین حفظ ظرفیت، متمرکز شده است. «تد میلر،» از شرکت فورد، می‌گوید این شرکت به سمت تولید باتری‌های جدید روی-هوا و لیتیم-هوا با وزن ۵۵ کیلوگرم و حجم ۶۰ لیتر حرکت می‌کند. رسیدن به این هدف کاهش چشمگیری در وزن باتری‌های متداول یون لیتیم، که اکنون ۲۲۵ کیلوگرم وزن و حجمی معادل ۱۲۵ لیتر دارند، خواهد داشت. تد میلر همچنین می‌گوید که در آینده، برای باتری‌های لیتیم-سولفور و باتری‌های فلز-هوا به الکترودهایی با چگالی بسیار بالا نیاز است.
تهیه مواد اولیه برای افزایش مقیاس تولید باتری‌های اتومبیل‌های برقی از جمله موارد تامل‌برانگیز در صنعت است. زمانی که فناوری‌های جدید توسعه پیدا می‌کنند، همه تلاش‌ها به این سمت متمرکز می‌شود که کمترین استفاده از مواد کمیاب به‌عمل بیاید. به‌طور مثال، در سال‌های قبل، توسعه لیتیم روز به روز در حال افزایش بوده است، در حالی که سولفور، به‌عنوان محصول جانبی فرایندهای پالایش نفت، جایگزینی مناسب در ساخت باتری‌ها است.

1.5. اثرات محیط زیست، سلامتی، و ایمنی (EHS)
خصوصیات مواد در مقیاس نانو نسبت به همان مواد در مقیاس توده‌ای متفاوت است. به‌عنوان مثال، افزایش مساحت سطح ویژه، افزایش خطرات مربوط به جابه‌جایی، و تغییر در حلالیت از جمله خصوصیات نانومواد است. برخی از مواد در مقیاس نانو از لحاظ زیست‌محیطی و تاثیر بر سلامتی انسان، مضر به‌نظر می‌آیند. هم‌اکنون، اطلاعات و دانش کمی در مورد خطرات ناشی از سمیت و درمعرض‌ قرارگرفتن نانومواد در دست است و به تبع آن، ارزیابی‌های درستی نیز صورت نمی‌گیرد. این‌جاست که اهمیت «ایمنی به‌وسیله طراحی» و اهمیت توسعه همراه با مسئولیت‌پذیری، از مرحله آزمایشگاه تا مرحله ورود به بازار و با هدف کاهش خطرات احتمالی بالقوه، بیش از پیش آشکار می‌شود.
در صنعت باتری‌سازی، خطرات احتمالی ناشی از درمعرض قرارگرفتن کارگرها در طول فرایند ساخت ایجاب می‌کند که یک سیستم کنترلی قوی برای محافظت کارگران از خطرات بالقوه تدوین و اجرایی شود. خطر درمعرض قرارگرفتن کارگران و محیط زیست (در فرایند انهدام باتری‌هایی که نیمه‌عمر آن‌ها به پایان رسیده است) نیز باید مد نظر قرار بگیرد. شایان ذکر است که هنگام کارکرد باتری‌ها (در مدت‌زمان عمر کاری) خطری متوجه مصرف‌کنندگان نخواهد بود.
صنایع وابسته به بخش شیمیایی گزارش کرده‌اند که فناوری نانو به‌عنوان یک عامل، حتی به‌صورت محدود، در شیمی باتری نقش ایفا کرده است. اندازه‌گیری‌های محافظتی برای ایمنی کارگران، و حتی ایمنی روش‌های به‌کار گرفته‌شده، پیوسته انجام می‌شود و موضوع جدیدی نیست.

2.5. تاثیرات اجتماعی بر شهروندان اروپایی
از دیدگاه اجتماعی، افزایش کارایی باتری‌های مورد استفاده در اتوموبیل‌های برقی سهم به‌سزایی در حمل و نقل آسان دارد. بنابراین، ایمنی، چرخه‌ عمر، و اثرات اجتماعی-اقتصادی روی توسعه کشورها، به صادرات شرکت‌های فنی و مهندسی و نیز مواد اولیه مورد نیاز فناوری‌های جدید بستگی دارد. اگرچه اتوموبیل‌های برقی که از باتری‌های نانویی استفاده می‌کنند نسبت به دیگر اتومبیل‌ها راحتی بیشتری برای مصرف‌کننده دارند، این نکته مثبت می‌تواند با اثرات دیگر خنثی شود. به‌طور مثال، اگر مصرف‌کننده‌ها بیشتر از اتومبیل‌های جدید استفاده کنند به‌خاطر این است که این اتوموبیل‌ها آلایندگی کمتری دارند.

6. موقعیت رقابتی اروپا
اروپا در صنعت باتری اتوموبیل جایگاه مناسبی دارد؛ شرکت‌های صنعتی فعال در این زمینه عبارتند از:
Axeon , Saft/ Renault , Cegasa , SB Limotive Li – Tec (Evonik – Daimler JV).
در عرصه دانشگاهی نیز اروپا و دانشگاه‌های اروپا از جمله مراکز پیشرو در صنعت باتری اتوموبیل‌های برقی هستند، از جمله می‌توان به این دانشگاه‌ها اشاره کرد:
St. Andrews, Picardie Jules verne, Sapienza, Munich, Munster, Cambridge.
دانشمندان وابسته به شبکه اروپایی ALISTORE – ERI [(www.alistore.eu)] نیز در این زمینه فعال هستند. مشارکت‌های دانشگاهی و صنعتی در اروپا به چشم می‌خورد. از مهم‌ترین کنسرسیوم‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
HE Lion/LIB در آلمان، پروژه تحقیقاتی Polyzion FP7، آزمایشگاه BELLA که با KIT و BASF همکاری دارد، و همکاری تویوتا با دانشگاه St. Andrews.
شرکت BASF می‌گوید کشور‌هایی مانند چین که نیروی انسانی ارزان در خدمت دارند در آینده صنعت باتری‌های لیتیم-سولفور کنار اروپا، آمریکا، و ژاپن قرار خواهند گرفت. تعداد مقالات منتشرشده در مجلات بین‌المللی حاکی از آن است که در زمینه تحقیقات، کشورهایی مانند آمریکا، چین، کره، ژاپن، و کانادا رقابت تنگاتنگی با اروپا دارند. در زمینه فناوری باتری‌های لیتیم-هوا، آمریکا دارای تعداد انتشارات زیادی است.
آژانس انرژی تحقیقات پیشرفته DOE اعلام کرده است که در سال ۲۰۱۰ هزینه پژوهشی‌ای معادل ۱۰۶ میلیون دلار برای پروژه‌های تحقیقاتی انرژی صرف شده است. همچنین، ۳۵ میلیون دلار در بخش باتری‌های مورد استفاده برای ذخیره انرژی الکتریکی، که در صنعت حمل و نقل به‌کار گرفته شده، هزینه شده است. این هزینه در جهت نیل به اهدافی مانند توسعه انرژی با چگالی بالا و باتری‌هایی با فناوری ارزان سیاست‌گذاری شده است. EUCAR و CLEPA در مورد واحد‌های تحقیق و توسعه در سال ۲۰۰۹ و اتوموبیل‌های سبز اروپا گفته است: تحقیقات پایه‌ای روی فناوری سیستم‌های جدید (سلول‌های باتری یون لیتیم) به‌منظور کسب بالاترین چگالی انرژی، بر سلول‌های باتری الکتروشیمیایی و خازن‌های ذخیره انرژی (بسته‌بندی، دوام، قابلیت اطمینان، و سازگاری با تجهیزات مختلف) متمرکز شده است. البته ایمنی نیز از جمله مواردی است که باید مورد توجه قرار بگیرد. همان‌گونه که دکتر «اسکات لیلی» از دانشگاه St. Andrews اظهار داشته است، در زمینه تحقیقات باتری آمریکا نسبت به اروپا سرمایه‌گذاری بیشتری انجام داده است.
محققان صنعتی معتقدند که زمینه‌های رقابت و شتاب آن‌ها در زمینه باتری‌های اتومبیل قابل پیش‌بینی نیست. در سال‌های آینده، برای تولید باتری‌هایی با انرژی بالا برای اتومبیل‌های برقی، سرمایه‌گذاری‌های چندجانبه در زمینه فناوری‌های باتری مورد نیاز است. آقای «مولدون جان،» محقق شرکت تویوتا، معتقد است که هنوز برنامه تدوین‌شده مشخصی برای آن‌چه باید صورت پذیرد وجود ندارد. او در جای دیگر بیان می‌کند که آلومینیوم کاندیدای مناسبی است، همان‌طور که منیزیوم وکلسیم مناسب است، و این‌که سیستم یون لیتیم یا شاید سولفور لیتیم مناسب باشد. همه موضوعات مذکور مهم و قابل تامل است.
با توجه به موارد ذکرشده در بالا، برای به‌دست‌آوردن فناوری باتری‌های اتوموبیل، اروپا در سال‌های آتی شانس برابری با دیگر رقبایش در دنیا را دارد. از جمله پارامترهای مهم برای رسیدن به این هدف می‌توان به سرمایه‌گذاری و حمایت‌های مالی از تحقیقات و فعالیت‌های صنعتی اشاره کرد. البته ایجاد انگیزه و فراهم‌ساختن ابزار مورد نیاز نیز از اهمیت به‌سزایی برخوردار است.

7. خلاصه
• باتری‌های لیتیم-هوا، لیتیم-سولفور، و منیزیوم-سولفور در شمار باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا محسوب می‌شوند. محققان اروپایی و دیگر محققان جهان در حال توسعه این فناوری‌ها هستند.

منابـــع و مراجــــع

Observatory NANO, Transport, Nanotech in next-generation electric car batteries: beyond Li-ion, March 2012