تولید باتری‌های ایمن و کارآمد

اما مشکل اصلی کنونی در این باتری‌ها، انفجارپذیری آنهاست و به همین دلیل برای باتری اضطراری هواپیماها یا حتی در صنایع نظامی از این باتری‌ها استفاده نمی‌شود، زیرا همه از بحث انفجار این باتری‌ها می‌ترسند.

در چنین شرایطی محققان یکی از واحدهای فناور مرکز رشد دانشگاه صنعتی شریف، همگام با چند شرکت بزرگ اروپایی و آمریکایی، در دستاورد تازه‌ای موفق شدند باتریخانه‌های لیتیومی تولید کنند که از مزیت ایمنی بیشتر،‌ منفجر نشدن و 3 سال و نیم دوام برخوردارند.

مهندس‌هادی فیوض، مدیرعامل شرکت تولیدی تحقیقاتی تولیدکننده این محصول در گفتگویی با ما به ارائه توضیحات بیشتری در این ارتباط پرداخته است.

با پیشرفت‌های چند ساله اخیر و در پی مطرح شدن راهکارهایی برای افزایش ذخیره‌سازی انرژی، چه تحولاتی در ساختار باتری‌های لیتیومی به وجود آمد؟

میزان ذخیره انرژی به صورت مستقیم به ساختار مولکولی باتری‌‌ها مرتبط است. برای افزایش ذخیره انرژی چند راهکار وجود دارد که مهم‌ترین و قابل توجه‌ترین آن استفاده از عناصری است که بیشترین اختلاف پتانسیل را با دیگر عناصر داشته باشد. با توجه به این‌که لیتیوم جزو عناصر بالای جدول تناوبی است، دارای اختلاف پتانسیل قابل توجهی نسبت به دیگر عناصر است و در نتیجه این نوع باتری‌ها در حجم برابر قادر خواهند بود مقدار انرژی بیشتری را در خود ذخیره کنند؛ بنابراین طراحان باتری برای افزایش میزان ذخیره انرژی تلاش کردند به جای عناصری همانند نیکل از لیتیوم استفاده کنند. این تحقیقات در سال‌های 90 تا 92 در باتری‌های لیتیوم یون به بار نشست. در سال 2002 نیز نسل جدیدتر این باتری‌‌ها به عنوان باتری‌‌های لیتیوم پلیمر تولید شد.

آیا با عرضه باتری‌های لیتیومی نسل جدید، ضریب ذخیره‌سازی انرژی، ایمنی و دوام باتری‌ها نسبت به باتری‌های قدیمی‌تر افزایش یافته است؟

با معرفی باتری‌‌های لیتیومی‌،‌ میزان ذخیره انرژی نسبت به دیگر باتری‌‌ها از قبیل باتری‌‌های نیکلی یا سربی به مقدار قابل توجهی افزایش یافت. برای مثال این باتری‌‌ها نسبت به باتری‌‌های سربی حدود 6 برابر و نسبت به باتری‌‌های نیکلی حدود 3 برابر سبک‌تر و کم حجم‌تر هستند. به علاوه مشکل بزرگ حافظه‌دار بودن باتری‌‌های دیگر بخصوص باتری‌‌های نیکلی در باتری‌‌های لیتیومی ‌به کلی رفع شده است. این مساله باعث افزایش طول عمر مفید باتری و در نتیجه رضایت مصرف‌کننده می‌شود.

عمده‌ترین کاربرد باتری‌های نسل جدید در چه صنایع و سیستم‌هایی است؟

در حال حاضر این باتری‌‌ها نسبت به دیگر باتری‌‌ها قیمتی گران‌تر دارند، پس به صورت طبیعی تنها در مواردی کاربرد دارند که قیمت آنها در مقابل وزن اندک آنها قابل صرفه نظر باشد. در این میان، مصرف این باتری‌‌ها در تلفن همراه، رایانه همراه و تلفن‌های بی‌سیم بیشتر نمود یافته است. دلیل کاربرد باتری‌‌های لیتیومی ‌در این محصولات نیز رضایت مشتری در انجام هزینه بیشتر در مقابل دریافت محصول سبک‌تر (بخصوص تلفن همراه و رایانه همراه) است. اما در صنایع دیگر همانند صنایع فضایی، صنایع دریایی، خودروهای الکتریکی و صنایع نظامی‌ نیز کاربرد این نوع باتری رو به افزایش است.

این باتری‌ها با چه محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند؟

بزرگ‌ترین محدودیت استفاده از این باتری‌‌ها قیمت نسبتا زیاد به همراه احتمال انفجار آنهاست. در واقع در بسیاری از صنایع تنها به دلیل واهمه مصرف کننده از انفجار این باتری‌‌ها مصرف آنها محدود شده است. این نگرانی از آن زمان شدت گرفت که خبرهایی از گوشه و کنار جهان در مورد انفجار باتری‌‌های لیتیومی ‌گوشی‌های همراه برخی شرکت‌های معتبر در سراسر جهان مخابره شد. این اخبار از نظر روانی باعث شد صنایع مختلف نسبت به استفاده از این نوع باتری حالت تدافعی به خود بگیرند و نسبت به آن ظنین شوند. از زمان انفجار گوشی‌های همراه به مدت چند سال مهندسان جهان تلاش‌های گسترده‌ای را برای رفع مشکل انفجار انجام دادند. مهندسان برق در اولین گام موفق شدند این مشکل را در باتری‌‌های کوچک که قابل استفاده در گوشی همراه یا رایانه همراه بود، به صورت کامل رفع کنند؛ اما تلاش‌های مختلف برای باتریخانه‌های بزرگ هنوز به صورت قطعی به نتیجه نرسیده و این فناوری اکنون در حال رشد و شکوفایی است. به نظر می‌رسد تا چند سال آینده مشکلات موجود در این راه برداشته و استفاده از این فناوری همه‌گیر شود.

راه حل ارائه شده برای کاهش این محدودیت‌ها که گویا یکی از مهم‌ترین آنها بحث انفجار پذیری این باتری‌هاست، با تولید کدام دسته از باتری‌ها رفع شده است؟

با پیشرفت‌های دانش متالورژی، مهندسان موفق شدند به جای باتری‌‌های لیتیوم یون باتری‌‌های لیتیوم پلیمر را تولید و به بازار ارائه کنند. با این دستاورد، بحث انفجار به دلیل جذب رطوبت در این باتری‌‌ها به صورت کلی رفع شد؛ اما این دستاورد تنها گام اول راه بود. در گام دوم مهندسان الکترونیک تلاش‌های گسترده‌ای را برای محافظت از این باتری‌‌ها انجام دادند. مشکل عمده محافظت همزمان از ولتاژ ، دما و جریانکاری بود که این نوع محافظت در مواقعی که جریان‌های چند هزار آمپری و ولتاژهای چند صد ولتی مورد نظر باشد، کاری بس دشوار و تا چند وقت بیش غیرممکن بود.

به نظر می‌رسد مشکل انفجار باتری‌‌های لیتیومی ‌توسط ارائه راهکارهایی در ساختار باتریخانه مرتفع شده است، این راهکارها چگونه‌اند؟

در تلاش‌های اولیه برای رفع مشکل محافظت از باتری‌‌های لیتیومی، سیستم‌های محافظ با باتری‌‌ها به صورت سری قرار می‌گرفتند. این روش اگرچه بسیار ساده و ارزان قیمت بود، اما استفاده از این روش در باتریخانه‌های بزرگ غیرممکن و غیرعملی بود. این روش معمولا توسط شرکت‌های چینی و با قیمتی بسیار ارزان ارائه می‌شود. در ایران نیز توسط چند شرکت این روش مورد استفاده قرار گرفت که متاسفانه همگی منجر به شکست شد. بخصوص در یک مورد این روش منجر به بروز آتش‌سوزی در کنار یک کپسول اکسیژن شد که خسارات فراوانی را به وجود آورد. اما در روش‌های جدید، سیستم محافظ در کنار باتری به صورت موازی مستقر شده و آن را کنترل می‌کند. این روش اولین بار در سال 2004 توسط شرکت آمریکاییInterceel ارائه شد. اما این روش نیز در مواردی به صورت غیرقابل اطمینان عمل کرد و از سوی مصرف‌کنندگان استقبال نشد. حدود سال 2006 تلاش‌هایی برای غلبه بر این مشکل و رفع دائمی‌ آن آغاز شد. در این روش با بررسی دقیق مشکلات موجود در سیستم‌های محافظتی این باتری‌‌ها، تلاش شد تا راهکاری قابل اطمینان در شرایط کاری سخت و متفاوت ارائه شود. در این روش نیز سیستم محافظ به موازات باتری‌‌ها به کار گرفته می‌شود. اما در این روش محافظت به صورت نرم‌افزاری و سخت‌افزاری توامان است. در واقع در صورت بروز خطا در نرم‌افزار محافظت در باتری‌‌ها، شبکه سخت‌افزاری وارد عمل شده و حفاظت از باتری‌‌ها را به عهده می‌گیرد. این روش اولین بار توسط یک شرکت انگلیسی در سال 2008 ارائه شد و در عمل این روش عملی‌ترین راه حل مساله بود.

آیا نمونه‌های ساخته شده در واحد فناور دانشگاه شریف با نمونه خارجی این باتری‌ها از حیث عملکرد برابری می‌کند؟

با ارائه محصول شرکت انگلیسی، اگرچه مشکل استفاده از باتری‌‌های لیتیومی ‌به صورت نسبی حل شده، اما کاربرد این روش در عمل بسیار دشوار و گرانقیمت است. در سال 2007 در مرکز رشد دانشگاه شریف تحقیقاتی برای رفع این مشکل قیمت و افزایش قابلیت اطمینان باتریخانه‌های لیتیومی ‌صورت گرفت. این تلاش‌ها ادامه یافت تا ایده باتری‌‌های لیتیومی ‌هوشمند (SmartBattery) مطرح شد. در این روش که اولین بار در ایران ارائه شد، هر باتری به صورت یک واحد هوشمند در باتریخانه مستقر شده و در نقش یک باتری دیجیتالی ایفای نقش می‌کند. در این روش باتری‌‌ها هم توسط لایه سخت‌افزاری و هم توسط لایه نرم‌افزاری محافظت می‌شوند که در آن سیستم محافظ نه به صورت سری با باتری‌‌ها قرار گرفته و نه به صورت موازی بلکه این سیستم در درون هر باتری مستقر شده و عضوی از باتری است. در این روش قیمت باتریخانه‌ها به میزان قابل توجهی کاهش یافته، قابلیت اطمینان باتریخانه‌های لیتیومی‌ افزایش یافته و استفاده از سیستم محافظ که کار سخت مهندسی بود به کلی مرتفع شده است. این برتری تا آنجا ادامه یافت که رکورد 100 کیلووات در 11 ثانیه که در انحصار شرکت 123A آمریکایی بود و رکورد 50 کیلووات‌‌در 6‌دقیقه شرکت Saft فرانسوی در ایران به حدود بیش از 200کیلووات در زمانی بیش از 10 دقیقه افزوده شد. در این رکورد علاوه بر افزایش میزان توانایی تخلیه انرژی، به مقدار زیادی در حجم باتری خانه نیز صرفه‌جویی شد.

کاربرد اصلی این باتری‌ها در چه صنایعی خواهد بود؟

صنایع مختلفی توانایی جذب این فناوری را دارند که مهم‌ترین آنها صنایع هوافضا، صنایع دریایی، صنایع نظامی‌ و خودروهای الکتریکی هستند.

آیا تولید انبوه این نوع باتری‌ها آغاز شده است؟

تولید انبوه این فناوری به سرمایه اولیه قابل توجهی نیاز دارد که تا به حال تامین نشده است. در صورت تحقق این مهم، تولید این فناوری به صورت انبوه امکان‌پذیر است.

پونه شیرازی