فناوری سالیدیون اخیراً در زمینه باتری‌های لیتیوم-گوگرد پیشرفت‌های قابل توجهی محقق کرده است و به چگالی انرژی 380 وات‌ساعت بر کیلوگرم دست یافته است که توجه بسیاری از صنعت را به خود جلب کرده است. این موضوع برای کاربردهای عملی چه معنایی دارد؟ خودروهای برقی و بانک‌های قدرت قابل حملی که امروزه همه ما با خود حمل می‌کنیم را در نظر بگیرید. وقتی یک شرکت به چنین عدد بالایی از چگالی انرژی دست پیدا می‌کند، به این معناست که می‌توانیم باتری‌هایی بسازیم که بین هر دو شارژ بسیار طولانی‌تر دوام بیاورند. برای مالکان خودروهای برقی، این موضوع به معنای طی کردن مسافت‌های بیشتر بدون نیاز به توقف در ایستگاه‌های شارژ است. دستگاه‌های قابل حمل نیز مدت زمان بیشتری بدون نیاز به شارژ کار خواهند کرد. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون معمولی که حداکثر به حدود 260 وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رسند، آنچه که سالیدیون موفق به دستیابی کرده است بسیار قابل توجه است. تفاوت اعداد روی کاغذ ممکن است کوچک به نظر برسد، اما در عمل نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ برای هر کسی است که به دنبال کاهش فرکانس شارژ بدون از دست دادن عملکرد باشد.
این فناوری باعث تغییرات بسیار مهمی در زمینه انرژی سبز و صرفه‌جویی در هزینه‌های تولید می‌شود. باتری‌های لیتیوم-گوگرد در اصل از گوگرد به عنوان بخش اصلی خود استفاده می‌کنند که در مقایسه با سایر مواد مورد استفاده در باتری‌های امروزی بسیار رایج و ارزان است. این تغییر هزینه‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد بدون اینکه ظرفیت ذخیره‌سازی آن به شدت کاهش یابد. نکته بهتر این است که دیگر تولیدکنندگان مجبور نیستند هزینه‌های زیادی را برای فلزات گران‌قیمت مانند کبالت یا نیکل پرداخت کنند. قیمت تخمینی تولید این باتری‌ها به کمتر از حدود ۶۵ دلار در هر کیلووات‌ساعت می‌رسد که به خودروهای برقی کمک می‌کند تا برای مصرف‌کنندگان بیشتری از نظر مالی مقرون به صرفه باشند. یک باتری معمولی ۱۰۰ کیلووات‌ساعتی که با این فناوری ساخته شده، می‌تواند یک خودرو را برای حدود ۵۰۰ مایل (حدود ۸۰۰ کیلومتر) به حرکت درآورد و هزینه‌ای حدود ۶۵۰۰ دلار داشته باشد. این نوع قیمت‌گذاری خودروهای برقی را از نظر هزینه اولیه در کنار خودروهای سنتی موتور بنزینی قرار می‌دهد.
این پیشرفت موفق به حل برخی مشکلات اساسی شده است که سال‌ها است باعث دردسر باتری‌های لیتیوم-گوگرد شده بود، بویژه اینکه چرخه شارژ این باتری‌ها بسیار کوتاه است و به اندازه باتری‌های لیتیوم یونی معمولی کارآمد نیستند. محققان به طور مداوم بهبودهایی را در این زمینه ایجاد می‌کنند تا بتوانند طول عمر این باتری‌ها را افزایش دهند و عملکرد آنها را بهتر کنند، از جمله استفاده از الکترولیت‌های نیمه جامد و طراحی‌های پیشرفته کاتدی جدید. با ادامه این پیشرفت‌ها، دلایل خوبی وجود دارد که باتری‌های لیتیوم-گوگرد نقش مهمی در آینده ذخیره انرژی در صنایع مختلف ایفا کنند.
یکی از مشکلات اصلی که باتری‌های لیتیوم-گوگرد با آن مواجه هستند، چیزی است که محققان اثر شاتلی می‌نامند. در واقع، ترکیبات شیمیایی خاصی به نام پلی‌سولفیدها در داخل باتری حرکت می‌کنند و باعث کاهش سریع ظرفیت باتری با گذشت زمان می‌شوند. این امر به شدت عملکرد این باتری‌ها و عمر آنها قبل از نیاز به تعویض را محدود می‌کند. اما خبر خوب این است که مطالعات اخیر به موادی مانند نانولوله‌های کربنی به عنوان راه‌حل‌های بالقوه برای این مشکل توجه کرده‌اند. وقتی این ترکیبات خاص به قطعات باتری اضافه شوند، هدایت الکتریکی و پایداری ساختاری را بهبود می‌بخشند. در نتیجه، از حرکت آزادانه پلی‌سولفیدهای مشکل‌ساز جلوگیری می‌شود. این موضوع به معنای بهبود عملکرد کلی و طولانی‌تر شدن عمر سلول‌های باتری لیتیوم-گوگرد نسبت به گذشته است.
پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که ترکیب نانولوله‌های کربنی با کاتد گوگردی به طور واقعی استحکام مکانیکی و رفتار الکتروشیمیایی باتری‌ها را بهبود می‌بخشد. مقاله‌ای از مواد پیشرفته اشاره می‌کند که این مواد کامپوزیتی به باتری‌ها کمک می‌کنند تا بار خود را بهتر حفظ کنند و در عین حال پس از چندین چرخه شارژ و دشارژ پایدار بمانند. چیزی که این موضوع را برای تولیدکنندگان جالب می‌کند، نحوه عملکرد این ساختارهای نانولوله‌ای در سطح بنیادی برای افزایش عملکرد کاتدهای گوگردی است که سال‌هاست چالش بزرگی در توسعه باتری‌های لیتیوم-گوگرد محسوب می‌شود.
کنترل بهتر روی اثر شاتل به این معنی است که باتری‌های لیتیوم-گوگرد می‌توانند به واقع به ظرفیت واقعی خود دست یابند، به ویژه در شرایط سخت مانند آنچه در فناوری هوانوردی یافت می‌شود که چگالی انرژی و عملکرد قابل اعتماد هر دو اهمیت زیادی دارند. در این حالت، ما به سیستمی برای ذخیره انرژی دست می‌یابیم که از باتری‌های لیتیوم معمولی از بسیاری جهات عملکرد بهتری دارد. این پیشرفت دروازه‌هایی را برای گزینه‌های بهتر ذخیره‌سازی در زمینه‌های مختلف امروزی از جمله خودروهای الکتریکی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر به روی مان می‌گشاید، چیزی که تولیدکنندگان سال‌ها است در پی دستیابی به آن هستند تا بتوانند از محدودیت‌های فناوری باتری‌های متداول فراتر بروند.
محققان دانشگاه دوشیشا اخیراً الکترولیت غیرقابل اشتعالی برای باتری‌های لیتیومی توسعه داده‌اند که گامی بزرگ به سمت ذخیره‌سازی انرژی ایمن‌تر محسوب می‌شود. فرمول جدید آنها یکی از بزرگترین مشکلات فناوری باتری‌های فعلی را حل می‌کند: خطر اشتعال در حین کارکرد یا شارژ شدن. این موضوع در صنایع مختلفی که در آنها باتری‌ها از تلفن‌های هوشمند تا واحدهای بزرگ ذخیره‌سازی انرژی را به کار می‌اندازند، اهمیت بسزایی دارد. باتری‌های ایمن‌تر به معنای وقوع تصادفات کمتر و خسارات مالی کمتر است و این امر به‌طور طبیعی اعتماد مصرف‌کنندگان را در هنگام خرید محصولات مجهز به فناوری باتری جدید افزایش می‌دهد. آزمایش‌های آزمایشگاهی نتایج امیدوارکننده‌ای نیز نشان داده‌اند؛ باتری‌های ساخته‌شده با این الکترولیت حتی در دماهای بسیار بالا مقاومت بیشتری در برابر گرمای بیش از حد از خود نشان داده‌اند. در صورت پذیرش گسترده، این دستاورد ممکن است ش expectationsمان از باتری‌های لیتیومی را دگرگون کند و آنها را بسیار ایمن‌تر کند، در حالی که قابلیت اطمینان آنها به‌عنوان دستگاه‌های اصلی ذخیره‌سازی انرژی حفظ می‌شود.
فناوری حالت جامد در زمینه بهبود ایمنی باتری‌های شبکه و خودروهای برقی پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است. باتری‌های لیتیومی همیشه مشکلاتی از نظر ایمنی داشته‌اند، به خصوص مشکلاتی مانند واکنش گرمایی خارج از کنترل (Thermal Runaway) که در آن دما به سطوح خطرناکی افزایش می‌یابد، همراه با الکترولیت‌های قابل اشتعال که می‌توانند باعث آتش سوزی شوند. طراحی‌های جدید حالت جامد و شبه‌جامد سعی دارند دقیقاً این مشکلات را برطرف کنند. برخی گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهند که تقریباً ۴۰ درصد از تمام خرابی‌ها در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر در واقع ناشی از حوادث مربوط به باتری هستند، که این امر اهمیت انتخاب گزینه‌های بهتر را برجسته می‌کند. دستاوردهای اخیر به این معنی است که این سیستم‌های باتری جدید می‌توانند در شرایط سخت عملیاتی بدون خرابی یا کاهش عملکرد کار کنند. با ادامه تلاش تولیدکنندگان برای بهبود این فناوری‌ها، بهره‌برداران شبکه و مالکان خودروهای برقی شاهد تجهیزات بسیار ایمن‌تری خواهند بود. این پیشرفت می‌تواند به تسریع انتقال به منابع انرژی پاک در بسیاری از صنایع مختلف کمک کند.
شارژ کوانتومی اخیرا چیزی جالب توجه شده و ممکنه واقعا زمان‌های طولانی صرف‌شده برای شارژ کردن باتری‌های لیتیومی را کاهش بده. این ایده در واقع با مکانیک کوانتومی کار می‌کنه تا انرژی را بسیار سریع‌تر از روش‌های سنتی جابجا کنه. آنچه که به عنوان دی‌فیزینگ کنترل‌شده شناخته می‌شود، با همگام کردن آن ذرات بسیار کوچک، باعث می‌شود انرژی بهتر از طریق آنها جریان پیدا کند و در نتیجه فرآیند شارژ کلی سریع‌تر انجام شود. همچنین برخی مطالعات اخیر نتایج خوبی به دست آورده‌اند. مدل‌ها نشان می‌دهند که با این تکنیک، مردم می‌توانند دستگاه‌های خود را در عرض چند دقیقه به جای چند ساعت شارژ کنند. این دیدگاه جدید در مورد ذخیره انرژی با استفاده از مفاهیم کوانتومی، پیشرفت بزرگی در فناوری باتری‌های لیتیومی محسوب می‌شود. این روش هم سرعت بیشتری را فراهم می‌کند و هم بهره‌وری کلی بهتری برای ذخیره انرژی. البته هنوز کارهای زیادی باید انجام شود قبل از اینکه این فناوری در محصولات واقعی دیده شود، اما بسیاری از محققان معتقدند که این ایده‌ها در نهایت از آزمایشگاه بیرون خواهند آمد و راهشان را به دستگاه‌های روزمره و حتی خودروهای برقی پیدا خواهند کرد.
رویکردهای مدل‌سازی تصادفی نحوه تفکر ما درباره بازیافت باتری و ایجاد اقتصاد دایره‌وار را در حال تغییر دادن هستند. این ابزارهای ریاضی با متغیرهای غیرقابل پیش‌بینی کار می‌کنند تا عوامل مختلفی که بر روی بازیافت مواد و همچنین ابعاد مالی این عملیات تأثیر می‌گذارند را پیش‌بینی کنند. این روش‌ها به شرکت‌ها کمک می‌کنند تا راه‌های بهتری برای به دست آوردن منابع ارزشمند مجدداً پیدا کنند و در عین حال مقدار زباله‌هایی که به محل‌های دفن زباله ختم می‌شوند را کاهش دهند. بخش باتری‌های لیتیومی به ویژه امروزه نیازمند این نوع تحلیل است. صحبت این است که چیزی شوکه‌کننده است — مطالعات نشان می‌دهند که بیش از 95 درصد از باتری‌های لیتیومی استفاده‌شده دوباره وارد مسیر بازیافت نمی‌شوند. این موضوع اخبار بدی برای محیط زیست ماست. با این حال، وقتی این روش‌های احتمالی را به کار می‌گیریم، بهبودهای واقعی را از نظر محیط زیستی و اقتصادی شاهد هستیم. با تمام پیشرفت‌های جدیدی که در فناوری باتری‌ها در حال رخ دادن است، قطعاً فضای رشد در این زمینه وجود دارد. جدی گرفتن مدل‌سازی تصادفی ممکن است همان چیزی باشد که نیازهای رو به رشد ما برای راه‌های ذخیره‌سازی انرژی قابل اعتماد را با روش‌های هوشمندانه‌تر و سبزتر مدیریت مواد ارزشمند به هم متصل کند.
باتری‌های لیتیوم-گوگرد به دلیل هزینه کمتر از گزینه‌های سنتی، نحوه ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر را در حال تغییر دادن هستند. چیزی که این باتری‌ها را متمایز می‌کند چیست؟ این باتری‌ها می‌توانند انرژی بیشتری را در فضای کوچک‌تری جای دهند و همچنین هزینه تولید آنها برای سازندگان بسیار پایین‌تر است. این موضوع به معنای عملکرد بهتر و تامین برق قابل اعتمادتر در زمان‌هایی است که بیشترین نیاز است. صفحات خورشیدی و توربین‌های بادی برق را در زمان‌های غیرقابل پیش‌بینی تولید می‌کنند، بنابراین داشتن سیستم ذخیره‌سازی خوب، امری بسیار مهم برای جریان پایدار برق است. شرکت Oxis Energy مثالی از یک شرکت است که این باتری‌های نوین را در کاربردهای واقعی به کار گرفته است. آزمایش‌های انجام شده توسط این شرکت نتایج بسیار قابل توجهی را در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر باتری نشان داده‌اند. البته هنوز فضای بهبود وجود دارد، اما این پیشرفت‌ها به این معنا هستند که سیستم‌های انرژی پاک را می‌توان با هزینه کمتری نصب و نگهداری کرد و این همان چیزی است که باعث می‌شود شاهد افزایش استفاده از این فناوری‌ها توسط کسب‌وکارها باشیم، هرچند در ابتدا تردیدهایی نسبت به فناوری‌های جدید وجود داشته باشد.
ظهور فناوری لیتیوم-گوگرد، نحوه تفکر ما را درباره ایستگاه‌های برق قابل حمل تغییر داده است و آنها را نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر باتری، برتری قابل توجهی می‌دهد. مدل‌های جدید به طور قابل توجهی سبک‌تر از نسخه‌های قبلی هستند در حالی که انرژی بیشتری را در بسته‌های کوچک‌تر جای می‌دهند. علاوه بر این، این باتری‌ها از نظر زیست محیطی بهتر هستند چرا که در تولیدشان به مواد کمیاب کمتری نیاز است. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی، نسخه‌های لیتیوم-گوگردی عملکرد بهتری دارند بدون اینکه اثرات زیست محیطی مشابه را به جای بگذارند. به عنوان مثال شرکت Sion Power را در نظر بگیرید؛ آخرین نمونه‌های اولیه آنها به خوبی نشان می‌دهد که این فناوری چقدر پیشرفت کرده است. با اینکه شرکت‌های بیشتری شروع به به کارگیری راهکارهای لیتیوم-گوگردی می‌کنند، بهبودهای واقعی در کیفیت برق قابل حمل دیده می‌شود. این پیشرفت‌ها اهمیت دارند چرا که مردم به دنبال تأمین برق اضطراری قابل اطمینان هستند که هنگام شارژ مجدد، هزینه زیادی از نظر مالی یا زیست محیطی برایشان به وجود نیاورد.
استفاده نکردن از کبالت در کاتد باتری‌های لیتیومی نشان‌دهنده یک تغییر عمده در صنعت است که عمدتاً تحت تأثیر مسائل زیست‌محیطی و مشکلات اخلاقی صورت گرفته است. استخراج کبالت خسارات جدی به اکوسیستم‌ها وارد می‌کند و از زمان‌های بسیار دور به exploitation کارگران مشهور بوده است که گزارش‌های تحقیقاتی متعددی به‌خوبی آن را مستند کرده‌اند. شرکت‌ها اکنون تلاش می‌کنند تا روش‌های جدیدی برای تولید باتری بدون استفاده از این ماده مورد بحث توسعه دهند. نتایج نیز امیدوارکننده است. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که تولیدکنندگانی که به گزینه‌های بدون کبالت منتقل می‌شوند، معمولاً هزینه‌های خود را حدود 30 درصد کاهش می‌دهند. این صرفه‌جویی در هزینه در زمانی رخ می‌دهد که شرکت‌ها به دنبال زنجیره تأمین پاک‌تری هستند، بنابراین این اقدام از نظر اقتصادی و اخلاقی منطقی است. حفاظت از محیط زیست و حاشیه سود همیشه به‌خوبی با هم هم‌خوانی ندارند، اما در این مورد به نظر می‌رسد که دست در دست هم دارند.
بهبودهای فنی که در اینجا شاهد آن هستیم، نشانه از چیزی بزرگتر در عرصه انرژی به طور کلی دارد. بسیاری از شرکت‌ها اکنون تلاش می‌کنند تا نحوه تولید محصولات خود را بهینه کنند و با افزایش کارایی، خسارات محیط‌زیستی ناشی از تولید باتری را کاهش دهند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهند که کاهش مصرف کبالت می‌تواند به کاهش قابل‌توجهی در انتشار کربن منجر شود، که این امر با توجه به سخت‌گیری‌های رو به افزایش قوانین محیط‌زیستی در سراسر جهان، منطقی است. وقتی کسب‌وکارها این رویکردهای جدید را پذیرفته و اجرا می‌کنند، فقط به محیط‌زیست کمک نمی‌کنند، بلکه در واقع از نظر تجاری هم پیش افتاده‌تر هستند، چرا که مشتریان بیش از پیش به منشأ محصولات و تأثیرات آنها اهمیت می‌دهند.
مدیریت گرما همچنان یکی از بزرگترین مشکلاتی است که امروزه باتری‌های لیتیومی با چگالی انرژی بالا با آن مواجه هستند. وقتی این باتری‌ها بیش از حد گرم می‌شوند، نه تنها عملکرد ضعیف‌تری دارند، بلکه خطرات جدی نیز ایجاد می‌کنند. شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد چه اتفاقی می‌افتد اگر مدیریت حرارتی شکست بخورد، بنابراین روشن است که ما به مواد بهتر و طراحی‌های هوشمندانه‌تری نیاز داریم. دانشمندانی که روی این مشکل کار می‌کنند، به چیزهایی مانند مواد تغییر فازی و ساختارهای بهتر شده برای پخش گرما نگاه می‌کنند که می‌توانند از افزایش‌های خطرناک دما کاسته و عمر باتری را افزایش دهند. این روش‌ها از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا باعث بهبود عملکرد کلی باتری می‌شوند و این امر برای اینکه بتوانیم به فناوری لیتیومی نسل بعدی به‌صورت معناداری دست یابیم، ضروری است.
رویکردهای جدید در مدیریت حرارت در باتری‌ها تنها محدود به حفظ ایمنی نیستند، بلکه عملکرد باتری‌ها و ظرفیت ذخیره‌سازی آنها را نیز بهبود می‌بخشند. وقتی تولیدکنندگان این ویژگی‌های مدیریت حرارتی را مستقیماً در طراحی‌های باتری خود پیاده می‌کنند، ظرفیت ذخیره‌سازی بهتر و عملکرد سیستم در سطح گسترده‌تری بهبود پیدا می‌کند. کارشناسان صنعتی دریافته‌اند که مدیریت حرارتی مناسب می‌تواند عمر باتری را تقریباً ۴۰ درصد افزایش دهد، که این امر منجر به باتری‌هایی با دوام بیشتر و صرفه‌جویی در هزینه‌های بلندمدت می‌شود. با اینکه جهان به طور فزاینده‌ای به منابع انرژی قوی و کارآمد متکل است، کنترل مناسب حرارت همچنان یک عامل کلیدی در پیشبرد قابلیت‌های باتری‌های لیتیومی است.
پیشرفت اصلی در افزایش چگالی انرژی به وسیله فناوری Solidion است که به 380 وات ساعت بر کیلوگرم می‌رسد. این پیشرفت ممکن است برد خودروهای الکتریکی را افزایش دهد و استقلال سیستم‌های انرژی قابل حمل را بهبود بخشد، یک جایگزین رقابتی برای باتری‌های لیتیوم-یون ارائه می‌دهد.
باتری‌های لیتیوم-گوگرد از گوگرد به عنوان کاتد اصلی خود استفاده می‌کنند که فراوان و کم هزینه است. این موضوع هزینه کلی را کاهش می‌دهد و نیاز به فلزات گران قیمت مانند کوبالت و نیکل را حذف می‌کند، تولید را اقتصادی‌تر و پایدارتر می‌سازد.
اثر شاتل شامل جابجایی ترکیبات پلی‌گوگردی است که منجر به کاهش ظرفیت در باتری‌های لیتیوم-گوگرد می‌شود. این موضوع از طریق استفاده از ترکیبات کربن نانو توب مورد رسیدگی قرار می‌گیرد که رسانایی و ثبات را افزایش می‌دهد و اثر شاتل را کاهش می‌دهد.
طراحی الکترولیت غیرقابل اشتعال این مدرسه با کاهش خطر حریق، ایمنی باتری را افزایش می‌دهد که موضوعی کلیدی برای هم Electronics مصرف‌کننده و هم سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ است.
شارژ کوانتومی با کاهش زمان شارژ به وسیله دیفازینگ کنترل‌شده، و مدل‌های تصادفی با بهبود کارایی بازیابی و تسهیل اقتصاد گردشی باتری‌ها، به راه‌حل‌های انرژی پایدارتری منجر می‌شوند.
