از سنگریزه‌ها تا نیرو: ظهور باتری‌های سیلیکات پتاسیم
در قسمت اخیر لکسیون، با دکتر محمد خوش‌کلام، یک محقق پسادکتری علم مواد در دانشگاه فنی دانمارک مصاحبه کردیم.
در این قسمت، کشف کردیم که چگونه سیلیکات پتاسیم ، ماده‌ای فراوان در زمین، به جایگزینی پایدار برای باتری‌های لیتیوم-یونی تبدیل می‌شود. این ماده می‌تواند پیشرفت‌های قابل توجهی در کارایی و ایمنی ارائه دهد. بیایید ببینیم چگونه.
باتری‌های لیتیوم-یونی همه چیز نیستند
باتری‌های لیتیوم-یونی استاندارد ذخیره‌سازی انرژی برای خودروهای برقی (EVs) و بسیاری از کاربردهای دیگر در سراسر جهان شده‌اند. با این حال، آن‌ها مشکلات قابل‌توجهی دارند. لیتیوم به‌نسبت نادر و به عنوان ماده خام گران‌قیمت است و استخراج آن به محیط‌زیست آسیب می‌رساند.
با این حال، نگرانی‌های دیگری نیز وجود دارد. برای مثال، باتری‌های لیتیوم-یونی خطرات ایمنی دارند، خصوصاً اگر بیش از حد گرم شده و آتش بگیرند. با افزایش تقاضا برای خودروهای برقی و ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر، نیاز به این باتری‌ها نیز افزایش خواهد یافت.
برای غلبه بر این موانع، دکتر خوش‌کلام و همکارانش در حال ساخت یک باتری متفاوت هستند که از سیلیکات پتاسیم، یک منبع محیطی فراوان و ایمن استفاده می‌کند. «ما پتنتی در دست توسعه یک کلاس جدید از الکترولیت‌های حالت جامد داریم. از نظر ترکیب شیمیایی، آن‌ها بسیار مشابه فلدسپات و کریستال‌های ساده هستند.» دکتر خوش‌کلام توضیح داد.
با توجه به اینکه مواد خام به راحتی در سنگ‌ها و سنگریزه‌های رایج یافت می‌شوند، این باتری‌ها می‌توانند راه‌حلی پایدار و اقتصادی برای ذخیره‌سازی انرژی ارائه دهند.
وعده باتری‌های حالت جامد (SSB)
باتری‌های حالت جامد با باتری‌های لیتیوم-یونی سنتی متفاوت هستند به این صورت که از الکترولیت جامد به جای مایع استفاده می‌کنند. به همین دلیل، آن‌ها مزایای زیادی از جمله ایمنی بهبود یافته، چگالی انرژی بالاتر و زمان شارژ سریع‌تر ممکن ارائه می‌دهند.
«از نظر هدایت یونی، آن‌ها بسیار مشابه با الکترولیت‌های حالت جامد مبتنی بر لیتیوم هستند.» دکتر خوش‌کلام اشاره کرد. «وقتی صحبت از چگالی انرژی می‌شود، بسیار مشابه است و در مورد سرعت شارژ، کمی پایین‌تر است، اما ما راه‌حل‌های جدیدی داریم که می‌توانند به همان سطح باتری‌های لیتیوم برسند.»
یکی دیگر از مزایای بزرگ باتری‌های مبتنی بر سیلیکات پتاسیم در مقایسه با لیتیوم-یونی، ایمنی آن‌ها است. بر خلاف باتری‌های لیتیوم-یونی که حاوی الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال هستند، باتری‌های سیلیکات پتاسیم کمتر احتمالاً آتش بگیرند.
«ایمنی آن بسیار بیشتر است و بیشتر دوستدار محیط زیست است زیرا ما از مواد سمی مانند کبالت یا نیکل استفاده نمی‌کنیم که با استخراج خطرناک و نقض حقوق بشر مرتبط هستند.» دکتر خوش‌کلام اضافه کرد.
غلبه بر چالش‌ها در توسعه SSB
با این حال، با وجود مزایای باتری‌های مبتنی بر سیلیکات پتاسیم، چالش‌های قابل‌توجهی قبل از تجاری‌سازی آن‌ها باقی مانده است. مانند اکثر فناوری‌های جدید، یکی از مشکلات اصلی، مقیاس‌پذیری فناوری است.
SSBs، در کل، دشوار است به صورت بزرگ مقیاس تولید شوند به دلیل طبیعت شکننده لایه‌های سرامیکی مورد استفاده در الکترولیت. «یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های باتری‌های حالت جامد، بطور کلی، طبیعت شکننده لایه‌های سرامیکی است... ما در حال کار بر روی راه‌حل‌هایی برای نگه داشتن این لایه‌ها با استفاده از فشار پایین، مانند آنچه در باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌شود هستیم.» دکتر خوش‌کلام توضیح داد.
با این حال، یک مشکل کوچک با SSB های سیلیکات پتاسیم در مقیاس اتمی وجود دارد. یون‌های پتاسیم بزرگ‌تر و سنگین‌تر از لیتیوم هستند که می‌تواند حرکت آن‌ها را از طریق الکترولیت کند کند و کارایی باتری را کاهش دهد. خوشبختانه، تیم دکتر خوش‌کلام راه‌های نوآورانه‌ای برای غلبه بر این مسئله پیدا کرده است.
«اولین چیزی که ما برای سریع‌تر کردن آن‌ها انجام دادیم، حذف عناصر از ساختار بود... ما آن را توخالی‌تر کردیم، بنابراین اجازه می‌دهیم این چیزها عبور کنند.» او گفت. او توضیح داد که تغییر ساختار الکترولیت باعث دست‌یابی به سطوح هدایت مشابه با باتری‌های لیتیوم-یونی شده است.
منافع زیست‌محیطی و اخلاقی
همچنان که قبلاً ذکر شد، باتری‌های مبتنی بر سیلیکات پتاسیم منافع زیست‌محیطی و اخلاقی قابل‌توجهی دارند. مواد خام مورد استفاده در این باتری‌ها فراوان و غیرسمی هستند که اثرات زیست‌محیطی استخراج و تولید را کاهش می‌دهد.
برای مثال، سیلیکات پتاسیم به کبالت تکیه نمی‌کند، ماده‌ای که اغلب با روش‌های استخراج غیر اخلاقی مانند کار کودکان مرتبط است. «ایمنی آن به شکل قابل‌توجهی بیشتر و دوستدار محیط زیست است زیرا ما از مواد سمی مانند کبالت یا نیکل استفاده نمی‌کنیم که با استخراج خطرناک و نقض حقوق بشر مرتبط هستند.» دکتر خوش‌کلام تاکید کرد.
استفاده از مواد اولیه فراوان زمین همچنین به پایداری باتری‌های سیلیکات پتاسیم کمک می‌کند. برخلاف لیتیوم، که در مناطق خاص متمرکز است، پتاسیم و سیلیسیم در سطح گسترده‌ای در پوسته زمین یافت می‌شوند.
این فراوانی به این معنی است که زنجیره تأمین برای باتری‌های سیلیکات پتاسیم پایدارتر خواهد بود و کمتر در معرض مسائل ژئوپولیتیکی قرار می‌گیرد. با توجه به درگیری‌ها و تنش‌های جهانی اخیر، این یک ملاحظه مهم است.
«ما از هیچ عنصری در لیست عناصر بحرانی اتحادیه اروپا استفاده نکردیم... این نیز از نظر استراتژیکی مهم است، هم از نظر پایداری قیمت و همچنین شما تحت تأثیر مسائل ژئوپولیتیکی قرار نخواهید گرفت.» دکتر خوش‌کلام اشاره کرد.
مسیر به سمت تجاری‌سازی
با وجود چالش‌ها، دکتر خوش‌کلام نسبت به آینده باتری‌های سیلیکات پتاسیم خوش‌بین است. تیم او در حال توسعه یک نمونه اولیه برای نمایش قابلیت فناوری به سرمایه‌گذاران و شرکای صنعتی است.
«من فکر می‌کنم که می‌توان در مدت سه تا چهار سال به چیزی مانند TRL4 رسید.» او گفت. TRL4 به سطح چهار از مقیاس سطح آمادگی فناوری اشاره دارد، مقیاسی که برای ارزیابی بلوغ یک فناوری استفاده می‌شود. در حالی که ممکن است تکمیل فناوری تا ۱۰ سال به طول انجامد تا به طور کامل تجاری‌سازی شود، تیم متعهد به غلبه بر موانع است.
در همین حین، دکتر خوش‌کلام فرصت‌هایی را برای استفاده از باتری‌های سیلیکات پتاسیم در کاربردهای خاص می‌بیند که خواص منحصر به فرد آن‌ها مزایایی را فراهم می‌کند. برای مثال، آن‌ها می‌توانند در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مقیاس بزرگ استفاده شوند، جایی که ایمنی و مزایای هزینه آن‌ها ارزشمند خواهند بود.
«داشتن این راه‌حل ارزان که انرژی اضافی، مانند انرژی تولید شده از توربین‌های بادی که بیشتر از حد ذخیره‌سازی است، ذخیره می‌کند، می‌تواند به ساخت ایستگاه‌های شارژ ارزان‌تر کمک کند و از الکتریکی‌سازی حمل و نقل حمایت کند.» او پیشنهاد داد.
چرا انتخاب؟
علی‌رغم هیجان او نسبت به فناوری، دکتر خوش‌کلام واقعگرا درباره چالش‌های پیش رو است. برای مثال، او می‌پذیرد که باتری‌های سیلیکات پتاسیم ممکن است به‌طور کامل جایگزین باتری‌های لیتیوم-یونی در برخی کاربردها نشوند.
همانطور که او به IE توضیح داد، او آن‌ها را به عنوان یک فناوری مکمل می‌بیند که می‌تواند با انواع دیگر باتری‌ها همزیستی داشته باشد، ارائه گزینه‌ای پایدارتر و اقتصادی‌تر در جاهایی که منطقی است.
«ما در تلاش برای ساخت یک محصول ناقص نیستیم، اما حتی نصف راه رسیدن نیز می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد، با توجه به موادی که استفاده می‌کنیم—فقط سیلیکات‌های زمین‌فراوان.» او گفت.
کار دکتر محمد خوش‌کلام و تیمش نمایانگر گام بزرگی در توسعه فناوری باتری پایدار است. با بهره‌گیری از پتانسیل سیلیکات پتاسیم، آن‌ها در حال خلق یک کلاس جدید از باتری‌ها هستند که می‌تواند نقش حیاتی در حرکت به سمت آینده‌ای سبزتر و پایدارتر انرژی ایفا کند.
