قلب تپنده خودروهای برقی

در باتری های جدید شرکت تسلا موتورز از لیتیوم-یون استاندارد استفاده می شود

اگرشما بخواهید یک خودرو برقی بخرید می‌توانید. «تسلاموتورز» یک شرکت مستقر درسن کارلوس کالیفرنیا یک خودرو اسپورت روباز برقی را به قیمت ۱۰۹ هزاردلار به شما می‌فروشد. باید اعتراف کرد ارزان نیست اما ارزشش را دارد. آن را شبانه به برق بزنید تا با هزینه‌ای معادل ۲۵ صدم یک لیتربنزین سوخت‌گیــری کند.
خودروهای تسلا از باتری‌های لیتیوم ـ یون استاندارد استفاده می‌کنند. همانطور که هرمالک یک تلفن همراه یا کامپیوتر دستی میداند این باتری‌ها مدتی طول می‌کشد تا شارژ شوند. اگر شما ۶۸۳۱ دانه از آن را به کارگیرید، کاری که خودروهای تسلا می‌کنند این زمان طولانی می‌شود. که اگر شما یک سفر طولانی را روز بعد در برنامه نداشته باشید مانعی ندارد، چون یک شارژ کامل شما را حدود ۳۵۰ کیلومتر می‌برد اما اگر کسی بخواهد به سرعت مثلا از پاریس به کن برود و در نتیجه نیاز داشته باشد در میان راه دوباره سوخت گیری کند، ممکن است از کارش بماند.
«گربراندسدر» و «بایکونگ دوکانک» از مؤسسه تکنولوژی ماسوچوست امیدوارند این وضع را تغییردهند و به این ترتیب خودرو برقی را از یک اسباب بازی به یک وسیله نقلیه معمولی تبدیل کنند. آنها دراین شماره نیچر جزییات فنی باتری جدید را که اگر همه چیزخوب پیش برود، ثابت خواهد کرد خواستن توانستن است، چاپ کردند.
دو راه برای ذخیره کردن انرژی الکتریکی دریک سیستم شیمیایی وجود دارد: یکی باتری استاندارد است که همه مواد الکترود درآن به عنوان یک وسیله ذخیره کردن انرژی عمل می‌کنند. این اجازه می‌دهد مقدارزیادی انرژی ذخیره شود. اما دست یافتن به آن را نسبتاً دشوارمی سازد و بنابراین پخش یا سرجای خود برگرداندن آن می‌تواند آهسته صورت گیــرد کـه این کارانرژی را تنها درسطح الکترود ذخیره می‌سازد. این وسیله انرژی را به سرعت ذخیره و تخلیه می‌کند، اما نمی‌تواند انرژی زیادی را نگه دارد. بنابراین جایزه بزرگ این باتری برای جهان ماده‌ای است که می‌تواند انرژی فراوانی را ذخیره و به سرعت تخلیه کند. دکترسدر و آقای کانک فکرمی کنند به آن دست یافته‌اند.
باتری‌های لیتیوم ـ یون همانطورکه نام شان نشان میدهد با حرکت لیتیوم‌ها (که یک بار مثبت الکتریکی را حمل می‌کنند) همراه با الکترون‌ها (که حامل یک بار منفی الکتریکی هستند) حرکت می‌کنند. الکترون‌ها کوچک و قابل جابجایی هستنـــد
اما یون‌ها خیلی بزرگتروکم سرعت ترمی باشند. در یک باتری استاندارد لیتیوم، یون یک الکترود از ماده‌ای مانند فسفات لیتیوم آهن و الکترود دیگر از سرب سیاه ساخته شده است.
یون‌ها ازطریق الکترولیت واسطه از سرب سیاه به فسفات منتقل می‌شوند، درحالیکه الکترون‌ها این سفر را از طریق یک شبکه خارجی که به آنها اجازه می‌دهد کار مفید انجام دهند می‌کنند. وقتی باتری دوباره شارژ شد آنها ازجهت مخالف وارد می‌شوند.
دراین جا سرعتی که یون‌ها می‌توانند با آن وارد یا از الکترودها خارج شوند تعیین کننده این است که یک باتری چقدر سریع می‌تواند شارژ و تخلیه شود. سرب سیاه یک ساختار باز دارد و به آسانی می‌شود درآن نفوذ کرد. اما درمورد فسفات لیتیوم ـ یون و سایر موارد مشابه، ساختار بلوری آن‌ها ورود و خروج را تنها از یک جهت ممکن می‌سازد واین راه بندانی ایجادمی کند که حرکت یون‌ها را به طرف پایین اجازه می‌دهد.
کاری که دکترسدر وآقای کانک کرده‌اند این است که الکترودهایی خلق کرده‌اند که از دوماده متفاوت ساخته شده‌اند که یکی ازآنهابرای ذخیره کردن یون‌ها خوب است، درحالیکه دیگری برای هدایت آنها مفیدمی باشد. این دوماده در یک کره بسیارکوچک کمتراز ۵۰ میلیارد یوم طول یک متر جای گرفته‌اند و هسته هریک از دو کره یک بلورفسفات لیتیوم یون است.
این کریستال به عنوان ماده یک باتری استاندارد عمل می‌کند. اما سطح آن از یک فسفات لیتیوم شیشه‌ای (به عبارت دیگر غیرکریستال) ساخته شده است. این شیشه فسفات لیتیوم برای هدایت یون‌های لیتیوم خوب است، اما نمی‌تواند درحقیقت مقدار زیادی ازآنها را ذخیره کند.
ازاینرو به عنوان وسیله‌ای بزرگ عمل می‌کند که برق را برای مدت کوتاهی درخود ذخیره می‌سازد. نتیجه این خواهد بود که هریونی که وارد یک گوی شود به سرعت بوسیله این وسیله بزرگ درسطح هدایت می‌شود تا زمانی که محل درست را برای ورود فاز باتری به سیم کابل پیدا کند، یا اگر باتری مورد بحث درحال شارژ شدن است برعکس عمل کند.
اما نکته مهم این است که این گوی‌ها چگونه ساخته می‌شوند. آنها از یک حالت ذوب به یک حالت بلوری درآمده‌اند که فاقد فسفات آهن لیتیوم خالص کافی است، درنتیجه با سرد شدن ماده مذاب مقدار بیشتری از آن نمی‌تواند بوجودآید. از این لحظه به‌بعد این گوی درحال رشد صرفاً فسفات لیتیوم است و با دستکاری در شرایط آن، پژوهشگران موفق شدند روکش را به جای بلوری، شیشه مانند بسازند.
نتیجه این کار یک ماده بود که وقتی در باتری‌های آزمایشگاهی مورد آزمایش قرار گرفت توانست ظرف چند ثانیه شارژ وتخلیه شود، بنابراین درآینده دیگر نیازی نیست که تعطیلات آخرهفته درجنوب فرانسه با تمام شدن بنزین قطع شود.

مترجم: فریدون دولتشاهی

منبع: اکونومیست