معرفی باتری‌های دوقطبی (Bipolar)

ساختار باتری‌های Bipolar:

حرکت به سمت برقی سازی حمل و نقل، شرکت‌های خودروساز را به تلاش برای دستیابی به باتری‌هایی با حداکثر قابلیت ذخیره انرژی واداشته است. در این میان، شرکت تویوتا، گونه‌ای خاص از باتری را معرفی کرده است که موسوم به باتری دوقطبی (Bipolar) است و می‌تواند راه حلی برای بهبود توان ذخیره سازی الکتریسیته و کاهش هزینه‌های ذخیره انرژی شود.

باتری دوقطبی برای اولین بار در 1920 میلادی ساخته شد. اما نشت الکترولیت به خارج از سلول و خوردگی شدید زیرلایه، استفاده از این ساختار را تا دهه 60 میلادی به تاخیر انداخت. از این زمان، تحقیقات بر روی باتری دوقطبی گسترش یافت و در سال 1985 ناسا باتری نیکل-هیدرید فلزی (NiMH) با ساختار دوقطبی را معرفی کرد. اما بازه‌ی سال‌های 1998 تا 2007، بیشترین تحقیقات بر روی باتری دوقطبی انجام شد و باتری‌های دارای آند روی و یا آلومینیوم نیز با این ساختار طراحی شدند. در سال 2019 نیز باتری‌های لیتیوم-گوگرد و سدیم-یون با این ساختار در تحقیقات مشاهده شده‌اند.

در باتری‌های مرسوم، دو سطح هر الکترود تنها توسط یک نوع ماده‌ی فعال آندی و یا کاتدی پوشش داده می‌شود. اما در باتری‌های دوقطبی، یک سطح الکترود، توسط مواد فعال کاتدی و سمت دیگر توسط مواد آندی پوشش داده می‌شود. استفاده از ساختار دوقطبی، اجازه می‌دهد تا بجای استفاده از چندین باتری مجزا، تمامی ساختار را در یک مجموعه جای‌نشانی کرد. در نتیجه با حذف بخش‌های غیر فعال باتری مانند بدنه‌ی سلول‌ها، سیم‌ها و اتصالات و کاهش مصرف الکترولیت و حذف بخش قابل توجهی از فویل‌های فلزی به عنوان جمع‌کننده جریان، می‌توان در حجم یکسان نسبت به ساختار مرسوم، 50 درصد انرژی بیشتری را ذخیره کرد. بعلاوه، اتصال مستقیم آند و کاتد توسط زیرلایه‌ی فلزی، مسیر عبور الکترون و مقاومت الکتریکی داخل باتری را به میزان چشم‌گیری کاهش می‌دهد که این باتری را برای کاربردهایی که نیاز به توان خروجی و عبور جریان‌های الکتریکی بالا دارند، به گزینه‌ای مناسب تبدیل می‌کند.

ساختار باتری‌های مرسوم و باتری‌های دوقطبی

استفاده از ساختار دوقطبی در باتری‌های

 حاوی کاتد فسفات آهن LFP، می‌تواند هزینه تولید باتری را تا 40 درصد کاهش داده و برد قابل پیمایش یک خودروی SUV دارای پک باتری 71 کیلووات ساعتی را تا 20 درصد ارتقا دهد. شرکت تویوتا اولین بار تحقیقات بر روی باتری‌های دوقطبی با شیمی نیکل-هیدرید فلزی را از سال 2007 آغاز کرد و اعلام کرده است که باتری دوقطبی لیتیوم-یون را از سال 2027 در خودروهای خود استفاده می‌کند.

نیازمندی‌ها و محدودیت‌های باتری دوقطبی:

با توجه به ساختار باتری‌های دوقطبی، زیرلایه‌ی الکترود باید با داشتن استحکام مکانیکی بالا، مانع از عبور الکترویت بین لایه‌ها شود. همچنین الکترولیت باید در برابر تجزیه شدن و تولید گاز در باتری مقاومت داشته باشد. از آنجا که همزمان مواد آندی و کاتدی در دو سمت زیرلایه، پوشش داده می‌شود، این زیرلایه می‌بایست در برابر ولتاژ‌های مختلف پایداری داشته و دچار خوردگی نشود. با توجه به آن‌که بار الکتریکی جابجا شده در هر جزء از این باتری یکسان است، ظرفیت غیر یکنواخت ذخیره‌ی انرژی در هر یک از الکترود‌ها، می‌تواند باعث ایجاد محدودیت در پتانسیل کلی باتری شود و تمام باتری از کار بایستد. ساخت الکترودهای باتری دوقطبی نیز به دلیل تفاوت ویژگی‌های مواد استفاده شده در دو سطح آن، نسبت به الکترودهای مرسوم، پیچیدگی و هزینه ساخت بالاتری دارد.

کاربرد باتری‌های دو قطبی:

باتری‌های سرب اسید و NiMH:

پیش از گسترش فناوری لیتیوم-یون، ساختار باتری دوقطبی در نوع سرب-اسید و NiMH برای کاربردهای استارتر خودرویی و یا تجهیزات فضایی توسعه یافته است. یک باتری سرب-اسید دوقطبی نسبت به سایر باتری‌های سرب-اسید 40 درصد حجم کوچک‌تر و 30 درصد وزن کمتری را دارد.

باتری سرب-اسید دوقطبی می‌تواند چگالی توان W/kg 500، چگالی انرژی Wh/kg 30 وات ساعت کیلوگرم را داشته و برای 100هزار چرخه‌ی شارژ و دشارژ به عنوان منبع انرژی کمکی برای وسایل نقلیه هیبریدی استفاده شود. در فرآیند تجاری سازی، صنعت علاقه زیادی به باتری‌های دوقطبی دارد. شرکت Atraverda در انگلستان زیرلایه‌ی مناسب برای این نوع باتری را توسعه داده است که با علامت تجاری Ebonex به ثبت رسیده است. شرکت BPC ایالات متحده نیز یک باتری دوقطبی 180 ولتی، با ظرفیت 60 Ah با توان ویژه بالا و عمر چرخه طولانی ارائه کرده است.

در مقایسه با باتری‌های سرب-اسید و یا NiMH دوقطبی با الکترولیت‌های آبی، باتری‌های لیتیوم-یون دارای الکترولیت‌های آلی ذاتاً ولتاژ خروجی بالاتری را در هر سلول ممکن می‌کنند. وسایل نقلیه‌ی برقی به بسته های باتری با ولتاژ کاری 300-500 ولت نیاز دارند. بنابراین بسته‌های باتری ولتاژ بالا به چند صد سلول نیاز دارند تا به صورت سری متصل شوند. در این حالت، نقش ساختار دوقطبی برای استفاده کمتر از سیم در اتصال سری سلولی و ساده سازی حداکثری این فرآیند بسیار مهم است.

باتری‌های دوقطبی به دلیل ساختار لایه‌ای خود، قابلیت طراحی به اشکال دلخواه و غیر مرسوم را دارند. همچنین با داشتن امکان ارائه توان بالا در برابر استفاده خارج از توان باتری، می‌توانند پایداری خود را حفظ کنند و نسبت به باتری لیتیوم-یون مرسوم، ایمن‌تر باشند. لذا می‌توان از آن‌ها در ادوات پوشیدنی الکترونیکی استفاده کرد.

شماتیک یک باتری bipolar و کاربرد در ادوات پوشیدنی

راهکارهای بهبود باتری Bipolar:

زیرلایه‌ی الکترود (Current Collector):

 در باتری‌های لیتیومی مرسوم، از زیرلایه‌ی آلومینیوم برای کاتد و از مس برای آند استفاده می‌شود. در ولتاژ‌های پایین (vs Li/Li⁺ 0.3) آلومینیوم و لیتیوم در تماس با یکدیگر واکنش داده و آلیاژ می‌شوند. همچنین قرارگیری مس در ولتاژ‌های بالاتر از 3.5 ولت، باعث اکسید شدن آن می‌شود. در نتیجه نمی‌توان صرفا از یکی از این فلزات به عنوان زیرلایه‌ی الکترود استفاده کرد. راه حل معرفی شده توسط محققان، استفاده از فویل‌های دولایه‌ای است که از اتصال فویل مس به فویل آلومینیوم تهیه می‌شود. راه حل دیگر، استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان زیرلایه‌ای است که همزمان امکان تماس با هر دو نوع ماده کاتدی و آندی را دارد. همچنین با جایگزین کردن مواد آندی با ولتاژ کاری پایین مانند گرافیت و سیلیکون توسط مواد با ولتاژ بالا نظیر لیتیوم تیتانات LTO، می‌توان با جلوگیری از قرارگیری آلومینیوم در معرض ولتاژ پایین، از آن به عنوان زیرلایه استفاده کرد.

الکترولیت مناسب:

همانگونه که پیش‌تر ذکر شد، نفوذ الکترولیت موجود در بین لایه‌ها به لایه‌ی مجاور، منجر به از کار افتادن باتری می‌شود. در نتیجه، استفاده از الکترولیت‌های جامد می‌تواند محدودیت‌های فنی بر سر راه آب‌بندی سلول در برابر الکترولیت‌های مایع را از میان بردارد. در حال حاضر، علاقه قابل توجهی به توسعه الکترولیت‌های حالت جامد جدید برای باتری‌های جامد وجود دارد. با در نظر گرفتن ادغام ساختار Bipolar در باتری حالت جامد، حرکت فناوری به سمت الکترولیت‌های حالت جامد با هدایت یونی بالا مانند ترکیبات گوگردی Li₁₀GeP₂S₁₂ و Li₇P₃S₁₁ خواهد بود، زیرا الکترولیت های حالت جامد با رسانایی یونی کم به طور جدی مزایای ساختار دوقطبی را در کاهش می‌دهند.

باتری‌های آینده:

باتری‌های نسل آینده، اغلب بر دستیابی به چگالی انرژی بالا و هزینه‌های اندک تولید به عنوان مزیت خود متمرکز شده‌اند. این ویژگی‌ها کاملا با مزایای ساختار Bipolar هم راستا است و می‌توان از آن در فناوری باتری‌های آینده نیز استفاده کرد. در باتری‌های لیتیوم-گوگرد، بطور معمول از فولاد ضدزنگ برای تثبیت آند لیتیوم و همچنین لایه‌نشانی گوگرد در سمت کاتد استفاده می‌شود. در نتیجه این زیرلایه گزینه مناسبی برای ایجاد ساختار دوقطبی در باتری لیتیوم-گوگرد است. در باتری‌های سدیم-یون نیز به دلیل عدم واکنش مستقیم فلز سدیم با آلومینیوم، می‌توان از فویل آلومینیوم به عنوان زیرلایه‌ برای ایجاد ساختار Bipolar استفاده کرد. آلومینیوم با توجه به چگالی کمتری که نسبت به مس دارد، می‌تواند به کاهش وزن باتری و درنتیجه، بهبود چگالی انرژی آن کمک کند.

منبع:

https://www.motortrend.com/news/toyota-aqua-prius-c-hybrid-battery-technology/

https://global.toyota/pages/news/images/2023/06/13/0500/electrified_technologies_batteries_en.pdf

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001207