باتری‌های آلومینیومی: از چالش‌های الکترولیت تا چشم‌انداز ذخیره‌سازی انرژی پایدار

در دنیای امروز که به دنبال منابع انرژی پایدار و ایمن است، باتری‌های لیتیوم-یون (LIBs) به فناوری غالب در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل و خودروهای الکتریکی تبدیل شده‌اند. با این حال، نگرانی‌ها در مورد محدودیت منابع لیتیوم، هزینه‌های بالا و خطرات ایمنی، جامعه علمی را به سمت جستجوی جایگزین‌های مناسب سوق داده است. در این میان، آلومینیوم به عنوان یک کاندیدای بسیار امیدوارکننده ظهور کرده است. آلومینیوم سومین عنصر فراوان در پوسته زمین است، هزینه بسیار پایینی دارد، ذاتاً ایمن‌تر است و به دلیل قابلیت تبادل سه الکترون، دارای ظرفیت حجمی نظری بسیار بالایی (8056 mAh/cm³) است که حتی از لیتیوم نیز فراتر می‌رود. این ویژگی‌ها، باتری‌های آلومینیومی، به ویژه باتری‌های آلومینیوم-یون (AIBs) و آلومینیوم-هوا (AABs)، را در خط مقدم تحقیقات برای نسل آینده سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی قرار داده است.

چالش‌های بنیادین در مسیر تجاری‌سازی

با وجود پتانسیل بالا، توسعه باتری‌های آلومینیومی با چالش‌های فنی و علمی قابل توجهی روبرو است که مانع از تجاری‌سازی گسترده آن‌ها شده است:

• خوردگی و غیرفعال شدن آند آلومینیوم: بزرگترین مانع، لایه اکسید آلومینیوم (Al2​O3​) است که به طور طبیعی و به سرعت بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود. این لایه عایق، از نظر الکتروشیمیایی غیرفعال است و از واکنش آلومینیوم جلوگیری می‌کند. در الکترولیت‌های آبی، این لایه می‌تواند حل شود، اما این فرآیند اغلب با خوردگی شدید خود آند و واکنش‌های جانبی ناخواسته مانند تولید هیدروژن (HER) همراه است که به شدت از کارایی و عمر باتری می‌کاهد.  
• رشد دندریت: در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ، آلومینیوم به صورت ناهموار بر روی سطح آند رسوب می‌کند و ساختارهای سوزنی شکلی به نام دندریت ایجاد می‌کند. این دندریت‌ها می‌توانند از جداکننده عبور کرده و باعث اتصال کوتاه داخلی و از کار افتادن باتری شوند.  
• محدودیت‌های الکترولیت: الکترولیت‌های آبی دارای پنجره پایداری الکتروشیمیایی محدودی (حدود 1.23 ولت) هستند که ولتاژ و چگالی انرژی باتری را محدود می‌کند. از سوی دیگر، الکترولیت‌های مایع یونی کلروآلومینات که عملکرد خوبی از خود نشان داده‌اند، بسیار گران، خورنده و به رطوبت حساس هستند که استفاده از آن‌ها را در مقیاس صنعتی دشوار می‌سازد.  
• مواد کاتدی: یافتن مواد کاتدی مناسب که بتوانند به طور برگشت‌پذیر یون‌های بزرگ و با بار بالای آلومینیوم (Al3+) را در خود جای دهند، یک چالش بزرگ دیگر است.

راهکارهای نوآورانه و پیشرفت‌های اخیر

محققان در سراسر جهان در حال توسعه راهکارهای خلاقانه‌ای برای غلبه بر این چالش‌ها هستند:

• مهندسی آند: یکی از رویکردهای موفق، آلیاژسازی آلومینیوم با عناصر دیگر مانند روی (Zinc) است. این کار با ایجاد یک لایه محافظ، از خوردگی آند جلوگیری کرده و عملکرد باتری را به ویژه در باتری‌های آلومینیوم-هوا بهبود می‌بخشد. استفاده از آندهای با ساختار متخلخل نیز با کاهش چگالی جریان موضعی، به سرکوب رشد دندریت کمک می‌کند.  
• انقلاب در الکترولیت‌ها (حلال‌های یوتکتیک عمیق – DES): یکی از هیجان‌انگیزترین پیشرفت‌ها، استفاده از حلال‌های یوتکتیک عمیق (Deep Eutectic Solvents) به عنوان الکترولیت است. DESها با مخلوط کردن دو یا چند جزء جامد (مانند کلرید کولین و اوره) ساخته می‌شوند که در نتیجه یک مایع با نقطه ذوب بسیار پایین‌تر از اجزای اولیه ایجاد می‌شود. این الکترولیت‌ها ارزان، غیرقابل اشتعال، پایدار در برابر حرارت، دارای رسانایی یونی بالا و سازگار با محیط زیست هستند. تحقیقات نشان داده‌اند که باتری‌های آلومینیومی با الکترولیت‌های مبتنی بر DES می‌توانند به طور پایدار و برگشت‌پذیر کار کنند و جایگزین مناسبی برای مایعات یونی گران‌قیمت باشند.  
• توسعه مواد کاتدی جدید: تحقیقات گسترده‌ای بر روی مواد کاتدی مختلف در حال انجام است. اکسیدهای فلزی مانند اکسید منگنز (MnO2​) و همچنین مواد آلی به دلیل ظرفیت نظری بالا و انعطاف‌پذیری ساختاری، نتایج امیدوارکننده‌ای را به عنوان کاتد در باتری‌های آلومینیوم-یون نشان داده‌اند.  
• باتری‌های حالت جامد: برای رفع کامل مشکلات نشت و اشتعال‌پذیری الکترولیت‌های مایع، توسعه باتری‌های آلومینیوم-یون حالت جامد با استفاده از الکترولیت‌های جامد سرامیکی یا پلیمری، یک چشم‌انداز بلندمدت و بسیار جذاب است که می‌تواند ایمنی را به بالاترین سطح برساند.  

چشم‌انداز آینده

باتری‌های آلومینیومی پتانسیل ایجاد یک تحول بزرگ در صنعت ذخیره‌سازی انرژی را دارند. با حل چالش‌های کلیدی از طریق نوآوری در علم مواد و الکتروشیمی، این فناوری می‌تواند به یک جایگزین پایدار، ایمن و مقرون‌به‌صرفه برای باتری‌های لیتیوم-یون تبدیل شود. این باتری‌ها نه تنها برای کاربردهای در مقیاس بزرگ مانند ذخیره‌سازی انرژی شبکه، بلکه برای نسل بعدی خودروهای الکتریکی و دستگاه‌های الکترونیکی نیز امیدبخش هستند.  

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.