با تکنولوژی آینده باتری ها آشنا شوید: باتری حالت جامد و تفاوت آن با باتری لیتیومی
باتری حالت جامد نسل جدیدی از باتری‌هاست که به احتمال زیاد، آینده دنیای اسمارت فون‌ها و سایر دیوایس‌های قابل حمل را رقم خواهد زد. باتری حالت جامد نسبت به نسل‌های قبلی، امن‌تر، بادوام‌تر و مناسب‌تر برای دیوایس‌های باریک است. متاسفانه، باتری حالت جامد در حال حاضر بسیار گران است و نمی‌توان از آن به طور فراگیر در دیوایس‌های مختلف استفاه کرد؛ اما به نظر می‌رسد این مشکل در سال‌های آینده، حل شود. اگر می‌خواهید بدانید باتری حالت جامد چیست و تفاوت آن را با باتری لیتیومی معمولی متوجه شوید تا پایان این مقاله، باما همراه باشید.
تفاوت کلیدی باتری یونی لیتیومی معمول و باتری حالت جامد، به الکترولیت‌های متفاوت آنها برمی‌گردد. باتری لیتیومی از الکترولیت مایع برای تنظیم جریان الکتریکی استفاده می‌کند، در حالی که باتری حالت جامد، از یک الکترولیت جامد بهره می‌برد. الکترولیت باتری، یک مخلوط شیمیایی رساناست که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی بین آند (قطب منفی) و کاتد (قطب مثبت) برقرار شود. در واقع نحوه عملکرد باتری حالت جامد مانند نحوه عملکرد باتری‌های معمول است، اما تغییر نوع الکترولیت، برخی از ویژگی‌های دیگر آن مانند ظرفیت ذخیره بیشینه، زمان شارژ، اندازه و ایمنی را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
اولین مزیت تغییر الکترولیت از حالت مایع به جامد، افزایش چگالی انرژی باتری است، یعنی انرژی می‌تواند در فضای کوچکتری متراکم شود. داستان از این قرار است که در باتری لیتیومی، ما به فضای بزرگی برای جداکردن سلول‌های مایع، نیاز داریم، در حالیکه در باتری حالت جامد با سدهای بسیار باریکی می‌توان از اتصال کوتاه، جلوگیری کرد. جداکننده‌های مایع در باتری‌های رایج، دارای ضخامتی حدود ۲۰ تا ۳۰ میکرون، هستند، در حالیکه در باتری‌های حالت جامد، ضخامت جداکننده‌ها به ۳ تا ۴ میکرون، کاهش می‌یابد: یعنی با تغییر الکترولیت از مایع به جامد، می‌توانیم حدود ۷ برابر در فضا، صرفه جویی کنیم.
جداکننده‌ها، تنها اجزای درون باتری نیستند و سایر قسمت‌ها را نمی‌توان تا این حد، فشرده کرد؛ در نتیجه برای صرفه‌جویی در فضا در باتری‌های حالت جامد، با محدودیت مواجه هستیم. با این حال، اگر آند باتری حالت جامد را با یک آند کوچکتر، جایگزین کنیم، می‌توانیم انرژی را نسبت به باتری‌های لیتیومی، دو برابر بیشتر متراکم کنیم.
الکترولیت‌های حالت جامد، معمولا واکنش پذیری کمتری نسبت به باتری‌های مایع دارند، بنابراین انتظار می‌رود طول عمر بیشتری نیز داشته باشند؛ یعنی نیازی نیست هر ۲ یا ۳ سال، تعویض شوند. بنابراین باتری‌های حالت جامد، در صورت آسیب دیدن یا نقص کارخانه‌ای، منفجر نشده و آتش نمی‌گیرند و احتمالاً شاهد فجایعی مانند نوت ۷ نخواهیم بود. پس باتری حالت جامد، بسیار امن‌تر است.
در اسمارت فون های امروزی، باتری‌های قابل تعویض، اغلب برای کسانی که می‌خواهند چند سال از یک گوشی استفاده کنند، مطلوب هستند. باتری گوشی، اغلب پس از یک سال، شارژ را دیگر به خوبی روزهای اول، نگه نمی‌دارد و بنابراین می‌تواند باعث ناپایداری سخت افزاری، ریست، یا حتی از کار افتادن گوشی شود. به کمک باتری حالت جامد، گوشی و سایر گجت ها، می‌توانند بدون نیاز به باتری‌های جایگزین، به حیات خود ادامه دهند. برای کوچ از الکترولیت‌های مایع به الکترولیت‌های جامد، فقط یک گزینه پیش روی ما نیست، بلکه ترکیبات شیمیایی جامد زیادی وجود دارند که می‌توانند در باتری‌های حالت جامد استفاده شوند.
بسته به نوع الکترولیت به کار رفته، هشت دسته اصلی باتری حالت جامد وجود دارد؛ این هشت دسته عبارتند از: هالید لیتیوم (Li-Halide)، پروسکایت، هیدرید لیتیوم (Li-Hydride)، گارنت، NASICON مانند، آرگیرودایت، LiOPN و LISICON مانند.
باتری حالت جامد یک تکنولوژی نوظهور و بسیار پیشرفته است و بنابراین محققان هنوز در جستجوی بهترین نوع الکترولیت حالت جامد برای استفاده در انواع مختلف دیوایس‌ها هستند. هنوز بهترین گزینه از هشت دسته بالا، انتخاب نشده، اما سل‌های مبتنی بر سولفید، LiPON و گارنت، امیدبخش‌ترین گزینه‌ها هستند. احتمالا متوجه شده‌اید که بسیاری از گزینه‌های پیشنهادی، هنوز مبتنی بر لیتیوم هستند، زیرا از الکترودهای لیتیومی استفاده می‌کنند؛ اما دارای آند و کاتد متفاوتی هستند که عملکرد آنها را بهبود می‌بخشد.
انواع باتری‌های حالت جامد، به دو دسته، تقسیم می‌شوند: فیلم نازک و توده‌ای. یکی از موفق‌ترین انواع باتری‌های فیلم نازک که در حال حاضر در بازار موجود است، LiPON نام دارد که اکثر تولیدکنندگان آن را با یک آند لیتیومی تولید می‌کنند. الکترولیت LiPON، دارای وزن، ضخامت و ویژگی‌های انعطاف پذیری بسیار مطلوبی است که آن را برای گجت‌های الکترونیک پوشیدنی که نیاز به باتری کوچک دارند، بسیار مناسب می‌کند. از طرفی، در مورد طول عمر باتری، LiPON دوامی عالی دارد، به طوری که پس از ۴۰ هزار چرخه شارژ، ظرفیت آن، تنها ۵ درصد کاهش می‌یابد. در مقایسه، باتری‌های لیتیومی پس از ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه شارژ، افت ظرفیت شدیدی پیدا می‌کنند؛ این بدان معناست که باتری‌های LiPON نسبت به گونه لیتیومی، حدود ۴۰ تا ۱۳۰ بار بیشتر، دوام می‌آورند.
تاکنون باتری‌های حالت جامد، برای سل‌های بزرگتر موجود در اسمارت فون ها و تبلت ها، مناسب نبودند و فقط در لپ تاپ‌ها یا ماشین‌های الکتریکی، استفاده می‌شدند. برای باتری‌های حالت جامد بزرگتر با ظرفیت بیشتر، به رسانایی بیشتر یا برابر با الکترولیت‌های مایع، نیاز داریم، در غیراینصورت تکنولوژی‌های امیدبخشی مانند LiPON غیرقابل استفاده خواهند بود. رسانایی یونی، نشان دهنده توانایی یون‌ها برای حرکت از طریق یک ماده است؛ در نتیجه برای برقراری یک جریان الکتریکی مناسب در سل‌های بزرگ، به رسانایی بالا احتیاج داریم. اگرچه باتری‌های LISICON و LiPS نسبت به انواع دیگر باتری‌های حالت جامد، بیشتر مورد تحقیق قرار گرفته‌اند، اما همچنان نسبت به الکترولیت‌های مایع و آلی، رسانایی کمتری دارند.
در این مورد به سراغ الکترولیت گارنت اکسید می‌رویم که رسانایی بالایی را در دمای اتاق نشان می‌دهد. رسانایی این ماده، اختلاف اندکی با سل‌های یونی لیتیومی مایع دارد و مطالعات جدید نشان می‌دهد حتی می‌تواند با آن، برابر باشد. این بدان معناست که باتری‌های حالت جامد، از نظر قدرت و ظرفیت با سل‌های یونی لیتیومی، برابر هستند؛ در حالیکه مزیت‌هایی مانند اندازه کمتر و طول عمر بیشتر، هم دارند.
از طرفی گارنت در هوا و آب، پایدار است که باعث می‌شود برای باتری‌های لیتیومی هوا هم مناسب باشد، البته فرآیند تولید آن بسیار پرهزینه است و در نتیجه این ماده در حال حاضر، جایگزین مناسبی برای باتری‌های لیتیومی ارزان نیست. امیدواریم در آینده، این هزینه‌ها کاهش یافته و استفاده از این باتری، رایج‌تر شود.
باتری حالت جامد یک حوزه تحقیقاتی فعال به حساب می‌آید و هنوز پژوهش‌های زیادی در مورد آن، در حال انجام است. با اینکه باتری حالت جامد دارای مزایای زیادی است، اما به منظور تجاری سازی، فرآیندهای تولید آن باید، کامل‌تر و بالغ‌تر شوند. به طور خلاصه، مزایای کلیدی باتری حالت جامد را می‌توان به صورت زیر برشمرد: تا ۶ برابر شارژ سریع‌تر، چگالی انرژی دو برابر، چرخه عمر طولانی‌تر ۱۰ ساله در مقایسه با عمر ۲ ساله باتری‌های دیگر و غیرقابل اشتعال بودن. قطعا تمام این موارد، مزایای بسیار مهمی برای گوشی‌های موبایل و سایر گجت های قابل حمل به شمار می‌روند.
