امروزه روند تغییر مصرف انرژی در دنیا و گردش به‌سوی استفاده از انرژی‌های پاک، موجب ایجاد فرصت‌ها و چالش‌های جدیدی در حوزه ذخیره انرژی شده است. یکی از راه‌های رایج ذخیره انرژی، استفاده از ابزارهای ذخیره ساز آن نظیر باتریها میباشد. باتری وسیله‌ای است که به‌وسیله یک واکنش الکتروشیمیایی، انرژی شیمیایی موجود در مواد فعال خود را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این فناوری پرکاربرد که زندگی انسان مدرن را متحول کرده، طی چند دهه گذشته به‌سرعت رشد کرده و انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۵ ارزش آن به ۹۰ میلیارد دلار برسد[i]. از همین رو، همچنان شاهد سرمایه‌گذاری‌های میلیاردی در این صنعت و خریداری شرکت‌های کوچک‌تر و یا ایجاد کارخانه‌های جدید توسط شرکت‌های معروفی همچون تسلا، دایسون و دایملر میباشیم.

بخش مهمی از فعالیت‌های جدید شرکت فناپ‌تک نیز به حوزه انرژی اختصاص دارد، باتری‌های سرب اسید این شرکت ساخته شده با تکنولوژی AGM، در سیستم‌هایUPS ، برق اضطراری، سیستم‌های مخابراتی، تجهیزات پزشکی، اسباب‌بازی، سیستم‌های هشداردهنده و اعلام حریق، میتوانند مورد استفاده قرار گیرند[ii]. در همین راستا، این مقاله را به بررسی روندهای موجود و مسیرهای پیشرو در حوزه باتری اختصاص داده‌ایم.

باتری لیتیوم-یون (Lithium-Ion) یا سرب-اسید (Lead-Acid)؟

باتری لیتیوم- یون و سرب- اسید، دو مورد از رایج‌ترین گزینه‌هایی هستند که میتوانند با تأسیسات خورشیدی جفت گردند. هر دو باتری با ذخیره بار و آزادکردن الکترون از طریق فرایندهای الکتروشیمیایی کار می‌کنند؛ با این تفاوت که باتری لیتیوم-یون با جابجایی یونهای مثبت لیتیوم بین الکترودهای کاتدی و آندی عمل میکند و باتری سرب- اسید، همین فرایند را با مواد متفاوت دیگری انجام می‌دهد[iii]. فارغ از جنبه فنی، تفاوت اصلی آنها در هزینه و عملکردشان خلاصه میشود؛ باتری‌های سرب- اسید ارزان قیمتتر بوده؛ درحالی‌که باتری‌های لیتیوم- یون عملکرد و کارایی بهتری دارند[iv]. از همین رو، روزبه‌روز بر تعداد وسایل الکترونیکی شخصی و اتومبیل‌های برقی که از این باتری استفاده می‌کنند افزوده می‌شود. البته این نوع باتری، معایبی همچون تولید پسماند بالا، پایین‌بودن نرخ بازیافت سل‌های لیتیوم-یون (حدود 5 درصد در ایالات متحده و اتحادیه اروپا)، محدود بودن منابع لیتیوم و بالابودن هزینه‌های انسانی و زیست‌محیطی استخراج لیتیوم و کبالت[v]، اشتعال‌پذیری، قابلیت اطمینان، نگهداری و سمی بودن را داراست[vi].

باتری لیتیوم – یون و سرب – اسید

آخرین آمارها نشان می‌دهند که با وجود فناوری‌های جدید (باتری‌های روی-هوا، سدیم-یون، لیتیوم-هوا و …)، بازار همچنان در اختیار باتری یون لیتیوم است؛ فقط در سال ۲۰۱۹، 82 درصد (1.4 میلیارد دلار) از 1.7 میلیارد دلار سرمایه‌گذاری خطرپذیر در زمینه تحقیقات باتری، مربوط به باتری لیتیوم- گزارش شده است و پیش‌بینی می‌شود که حداقل برای ۱۰ سال دیگر (سال 2030) این سلطه وجود داشته‌ باشد. البته احتمال دارد که فناوری‌های دیگری نیز در این مدت از دره مرگ عبور کنند؛ برخی از محبوب‌ترین‌ گزینه‌های جایگزین عبارت از[vii] لیتیوم-سولفور، سدیمیجریانی (flow battery)، روی-یون و … هستند.

باتری و اینترنت اشیا

یکی از چالش‌های کلیدی در پیشبرد اینترنت اشیا، دردسترس‌بودن منابع برق و انرژی است. برای دستگاه‌هایی که مستقیماً به منبع تغذیه متصل می‌شوند، مانند لوازم‌خانگی، این مشکل بزرگی نخواهد بود. اما در مورد دستگاه‌هایی که در مزارع کشاورزی یا در نمایشگر قلب به کار می‌روند، باتری‌ها بسیار حائز اهمیت هستند؛ چرا که در صورت ازکارافتادن دستگاه، امکان از بین‌رفتن داده‌های حیاتی یا وقوع فجایع قابل پیشگیری وجود دارد. گرچه دستگاه‌ها و حسگرهای اینترنت اشیا معمولاً کوچک هستند و برای کارکردن به انرژی زیادی نیاز ندارند؛ اما اگر نیاز مداوم به تعمیر و تعویض باتریهای آن‌ها وجود داشته باشد، یکپارچه‌سازی که از اهداف اینترنت اشیا است، شکست می‌خورد. از طرفی، همین کوچک بودن دستگاه‌ها، باعث می‌شود که فضای زیادی برای تولیدکنندگان لوازم اینترنت اشیا وجود نداشته باشد و لذا باتری‌ها در عین کوچک بودن باید از ظرفیت خوبی برخوردار باشند. یکی دیگر از عواملی که باید در هنگام توسعه باتری برای دستگاه‌های IoT در نظر گرفته شود، محیطی است که در آن به کار برده میشوند؛ چرا که گرما و سرما هر دو می‌توانند به باتری آسیب رسانند. دمای بسیار سرد ممکن است شیمی باتری را کند کرده و گرمای زیاد می‌تواند به سل باتری آسیب جدی وارد کند. قرار گرفتن باتری در محدوده دمای مناسب، برای پایداری و قابلیت عملکرد آن در طولانی‌مدت بسیار مهم است.

توسعه‌دهندگان در صنعت به دنبال رفع این چالش‌ها و ایجاد باتری‌ها و دستگاه‌های بادوام و ایمن، راه‌حل‌های مختلفی را ارائه میدهند؛ یک گزینه، طراحی دستگاه‌هایی است که بدون نیاز به انرژی زیاد، به عملکرد خود ادامه دهند و راه‌حل جدیدتر، طراحی دستگاه‌هایی است که بتوانند خود را با فناوری برداشت انرژی (اعم از خورشیدی، بادی، یا حتی از امواج صوتی)، دوباره شارژ کنند. گزینه بلندپروازانه‌تر این است که باتری‌ها به یک باتری «ابدی» تبدیل شوند و دستگاه‌هایی ساخته شوند که نیازی به شارژ یا تعویض مجدد باتری‌ نداشته باشند[viii].

در گزارشی از IDTechEx با درنظرگرفتن بازه زمانی 2018 تا 2028[ix] به این موضوع اشاره شده که عبور از باتری‌ها برای ایجاد شبکه‌های گسترده اینترنت اشیا و نظارت بر محیط‌های مصنوعی و طبیعی، اتفاق خواهد افتاد و در نتیجه، شاهد فناوری‌هایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی (تقریباً) بدون نیاز به تعمیر و نگهداری و ربات‌هایی با عمر طولانی خواهیم بود. جالب است بدانید که تیمی از دانشگاه واشنگتن در اوایل سال جاری فناوری بدون باتری را در یک تلفن همراه امتحان نمودند که انرژی را از سیگنال‌های رادیویی محیط دریافت می‌کرد. این امر به این معنی است که تغییرات نور، حرکت یا دما می‌تواند نسل بعدی حسگرهای اینترنت اشیا را تأمین کند[x].

روندهای کلیدی باتری در سال 2022

در سال 2022 شاهد سه روند نوآورانه در حوزه باتری بودهایم که توسعه‌دهندگان باتری باید از آن‌ها آگاه باشند:

پایداری

امروزه در راستای کربن‌زدایی و رسیدن به پایداری (sustainability)، توجه زیادی به فناوری‌های پاک (انرژی‌های تجدیدپذیر، وسایل نقلیه الکتریکی (EVs)، ساختمان‌های سبز و غیره) می‌شود و محقق‌شدن این اهداف، وابستگی زیادی به اثربخشی و قابلیت اطمینان فناوری‌های ذخیره ساز انرژی (مانند باتریها) دارد. از همین رو، باتری‌ها از لحاظ ردپای زیست محیطی خود، به‌شدت زیر ذره‌بین هستند.

شیمی باتری جایگزین

اکنون، نفوذ مواد شیمیایی همچون نیکل روی (Nickel–zinc battery) در بازار بیشتر شده که دارای مزایایی همچون ایمنی و قابلیت اطمینان بیشتر و چگالی توان بالاتر است. البته سرعت این جایگزینی، بالا نیست؛ چرا که زیرساخت‌های موجود، با مواد شیمیایی فعلی سازگارند و برای مثال، اگر شرکتی بخواهد باتری سرب- اسید را با لیتیوم- یون تعویض کند، نه‌تنها باید خود باتری‌ بلکه سیستم متصل به آن را نیز تطبیق دهد.

اتخاذ رویکرد ترکیبی

با تجاری‌سازی باتری‌های جایگزین، بازارها متوجه می‌شوند که هیچ باتری واحدی وجود ندارد که برای همه موارد مناسب باشد. امروزه سازمان‌ها به مزیت استفاده ترکیبی از باتری‌های مختلف، پی برده‌اند و توسعه‌دهندگان نیز با درنظرگرفتن نقاط قوت هر ماده شیمیایی، باتری‌های مختلفی را در عملیات خود به کار می‌گیرند. برای مثال، یکی از نقاط کلیدی تمایز بین باتری‌ها، توازن بین power density و energy density آن‌ها است؛ یعنی ممکن است یک باتری، چگالی توان (نرخ تخلیه انرژی) بالا و چگالی انرژی (مدت‌زمان نگه‌داشتن انرژی) پایینی داشته باشد. علاوه بر این، امروزه میکرو گریدهایی درحال ‌توسعه هستند که بسته به شرایط، می‌توانند توان خود را از power battery یا energy battery بگیرند. چنین رویکردی به‌ویژه برای سیستم‌های peak power shaving و سیستم شارژ خودروی الکتریکی، مفید است[xi].

جمع‌بندی:

باتوجه‌به روندهای فعلی در حوزه باتری، منطقی است که توسعه‌دهندگان باتری، ضمن ادامه سرمایه‌گذاری روی نوآوری‌های تدریجی (افق 10 ساله)، به نوآوری‌های اخلال‌گر (disruptive) هم توجه داشته باشند؛ به‌خصوص فناوری‌هایی که از مواد شیمیایی جایگزین استفاده می‌کنند و آن‌هایی که موجب قابلیت خودشارژشوندگی دستگاه می‌شوند. همچنین، اتخاذ رویکرد ترکیبی و استفاده از باتری‌های مختلف در یک دستگاه باتوجه ‌به نقاط قوت آن‌ها می‌تواند بسیار مؤثر باشد.