پژوهشگران چینی از یک باتری ضد حریق رونمایی کرده‌اند که هنگام افزایش شدید دما به طور خودکار یک دیوار آتش داخلی ایجاد و از بروز حریق یا انفجار جلوگیری می‌کند.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، این فناوری که بر پایه باتری‌های سدیم‌یونی توسعه یافته است، می‌تواند یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های صنعت خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی را برطرف کند؛ دغدغه‌ای که سال‌ها با عنوان «فرار حرارتی» شناخته می‌شود و یکی از چالش‌های اصلی استفاده گسترده از باتری‌های پرظرفیت به حساب می‌آید.
در سال‌های اخیر با گسترش سریع بازار خودروهای برقی در جهان، موضوع ایمنی باتری‌ها بیش از گذشته مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه آتش‌سوزی خودروهای برقی در مقایسه با تعداد کل خودروهای در حال استفاده بسیار نادر است، اما هر حادثه‌ای از این نوع، بازتاب گسترده‌ای پیدا می‌کند و نگرانی مصرف‌کنندگان را افزایش می‌دهد. به همین دلیل، خودروسازان و شرکت‌های تولیدکننده باتری، میلیاردها دلار برای افزایش ایمنی محصولات خود هزینه کرده‌اند. اکنون فناوری تازه‌ای که در چین معرفی شده است، نوید آن را می‌دهد که بخش مهمی از این نگرانی‌ها از درون خود باتری حل شود.
مرتبط: تبلت ردمی پد ۲ با باتری ۹,۰۰۰ میلی‌آمپرساعتی روانه
فرار حرارتی، وضعیت خطرناکی است که در آن دمای داخلی باتری به صورت ناگهانی و کنترل‌ناپذیر افزایش می‌یابد. زمانی که دما از حد مشخصی فراتر رود، مواد شیمیایی داخل سلول باتری وارد واکنش می‌شوند و گرمای بیشتری تولید می‌کنند. این گرمای تازه، واکنش‌های بعدی را سریع‌تر می‌کند و چرخه‌ای مخرب شکل می‌گیرد که می‌تواند در مدت کوتاهی باعث آتش‌سوزی، انفجار یا آزاد شدن گازهای سمی شود. در بسیاری از باتری‌های لیتیوم‌یونی، الکترولیت مایع و قابل اشتعال است و همین مسئله خطر گسترش حادثه را افزایش می‌دهد.
خاموش کردن چنین آتش‌سوزی‌هایی نیز ساده نیست. در برخی موارد، باتری در جریان واکنش شیمیایی، اکسیژن مورد نیاز خود را تولید می‌کند و به همین علت خاموش‌کننده‌های معمولی همیشه اثر کافی ندارند. نیروهای امدادی در برخی مواقع ناچار می‌شوند که منتظر بمانند تا انرژی باتری به طور کامل تخلیه شود و واکنش پایان یابد. هرچند احتمال وقوع چنین حوادثی بسیار پایین است، اما پیامدهای آن به اندازه‌ای جدی است که صنعت باتری همواره در جست‌وجوی راه‌حل‌های جدید بوده است.
مرتبط: آپدیت One UI 8.5 عمر باتری گوشی‌های سامسونگ را افزایش می‌دهد
مرتبط: استفاده اپل از باتری آیفون ایر در باتری پک مگ‌سیف
پژوهشگران چینی به‌جای تکیه بر سامانه‌های بیرونی مانند حسگرهای پیچیده، پمپ‌های خنک‌کننده یا محفظه‌های سنگین ضد حریق، ساختار داخلی باتری را تغییر داده‌اند. آنها در طراحی جدید از الکترولیتی غیرقابل اشتعال و پلیمری‌شونده استفاده کرده‌اند. هنگامی که دمای داخلی باتری از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد عبور کند، این الکترولیت مایع به سرعت جامد می‌شود و یک مانع فیزیکی در داخل سلول تشکیل می‌دهد. این مانع از انتقال گرما جلوگیری می‌کند و زنجیره واکنش‌هایی را متوقف می‌سازد که معمولاً به انفجار ختم می‌شوند.
به بیان ساده، این باتری در لحظه خطر، سیستم ایمنی خود را فعال می‌کند و پیش از آنکه شعله‌ای شکل بگیرد، مسیر حادثه را می‌بندد. همین ویژگی باعث شده است که برخی کارشناسان از آن با عنوان «باتری ضد حریق» یاد کنند، چرا که ماهیت طراحی آن بر جلوگیری ذاتی از آتش استوار است و صرفاً مهار حادثه پس از وقوع نیست.
نتایج آزمایش‌های اولیه نیز امیدوارکننده بوده است. بر اساس گزارشی که در نشریه علمی Nature Energy منتشر شده، نمونه آزمایشی این باتری توانسته است گرمایش خارجی را تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد بدون ورود به وضعیت فرار حرارتی تحمل کند. همچنین در آزمایش نفوذ میخ که برای شبیه‌سازی اتصال کوتاه داخلی انجام می‌شود، سلول باتری ساختار خود را حفظ کرده و دچار آتش‌سوزی یا انفجار نشده است. این نوع آزمون‌ها از سخت‌ترین استانداردهای ایمنی در صنعت باتری به حساب می‌آیند.
مرتبط: فاش‌شدن هزینه باتری آیفون ۱۷ پرو مکس؛ فقط ۱۲ دلار برای اپل
از نظر عملکرد نیز این فناوری تنها بر ایمنی تمرکز نکرده است. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که باتری جدید به چگالی انرژی ۲۱۱ وات‌ساعت بر کیلوگرم رسیده و در بازه دمایی منفی ۴۰ تا مثبت ۶۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد پایداری داشته است. این ارقام نشان می‌دهد که فناوری تازه می‌تواند علاوه بر ایمنی، در کاربردهای واقعی نیز رقابتی ظاهر شود.
یکی از نکات مهم در این پروژه، استفاده از سدیم به‌جای لیتیوم است. باتری‌های سدیم‌یونی در سال‌های اخیر به عنوان جایگزینی ارزان‌تر و ایمن‌تر برای باتری‌های لیتیوم‌یونی مطرح شده‌اند. سدیم ماده‌ای فراوان‌تر از لیتیوم است و منابع آن در جهان پراکندگی بیشتری دارد. همچنین این سامانه‌ها از نظر حرارتی پایدارتر هستند و مواد فعال آنها واکنش‌پذیری کمتری دارد. همین ویژگی، بستر مناسبی برای ترکیب با سامانه‌های ایمنی داخلی مانند الکترولیت خودجامدشونده فراهم کرده است.
البته باتری‌های سدیم‌یونی همچنان یک نقطه ضعف شناخته‌شده دارند و آن چگالی انرژی پایین‌تر نسبت به نمونه‌های لیتیومی است. به بیان دیگر، در حجم یا وزن برابر، انرژی کمتری ذخیره می‌کنند. این مسئله می‌تواند بر برد خودروهای برقی اثر بگذارد. با وجود این، بسیاری از کارشناسان معتقد هستند که در خودروهای شهری، ناوگان حمل‌ونقل عمومی، سامانه‌های ذخیره برق خانگی و نیروگاهی، ایمنی بالاتر و قیمت کمتر می‌تواند مهم‌تر از بیشینه ظرفیت انرژی باشد.
مرتبط: توسعه ماوس حلقه‌ای picoRing با عمر باتری ۳۰ روزه + ویدیو
مزیت دیگر این فناوری، کاهش نیاز به تجهیزات محافظتی پیرامون باتری است. امروز خودروسازان برای جلوگیری از خطرات احتمالی، از محفظه‌های مقاوم، لایه‌های ضدحریق، سامانه‌های خنک‌کننده و شبکه‌ای از حسگرها استفاده می‌کنند. اگر خود باتری ذاتاً ایمن‌تر باشد، بخشی از این تجهیزات می‌تواند حذف یا ساده‌تر شود. نتیجه چنین تغییری، کاهش وزن خودرو، ساده‌تر شدن تولید و کاهش هزینه نهایی خواهد بود؛ موضوعی که برای رقابت در بازار جهانی خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد.
با وجود این، فناوری جدید هنوز بدون چالش نیست. کارشناسان می‌گویند که سازوکار جامد شدن الکترولیت احتمالا یک فرایند یک‌بارمصرف است. یعنی اگر دیوار آتش داخلی فعال شود، حرکت یون‌ها متوقف می‌شود و سلول باتری عملا از کار می‌افتد. در چنین شرایطی، ممکن است نیاز به تعویض یا تعمیر بسته باتری وجود داشته باشد. البته در طراحی‌های ایمنی، از کار افتادن کنترل‌شده باتری بسیار بهتر از آتش‌سوزی یا انفجار ارزیابی می‌شود.
مرتبط: آنر از باتری سیلیکون‌کربنی فوق‌باریک با ظرفیت ۶,۶۰۰ میلی‌آمپرساعت پرده‌برداری کرد
همچنین این باتری ضد حریق همچنان در شرایط عادی به سامانه خنک‌کننده نیاز دارد، چرا که هر باتری هنگام شارژ و تخلیه انرژی، گرما تولید می‌کند و دمای بالا می‌تواند عمر مفید آن را کاهش دهد. بنابراین فناوری تازه جایگزین کامل همه سامانه‌های ایمنی فعلی نخواهد شد، بلکه می‌تواند لایه‌ای جدید و بسیار مؤثر به آنها اضافه کند.
اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی عبور کند و به تولید انبوه برسد، اثر آن تنها محدود به خودروهای برقی نخواهد بود. تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، تجهیزات صنعتی، پهپادها، سامانه‌های ذخیره برق خورشیدی و حتی شبکه‌های برق شهری نیز می‌توانند از مزایای آن بهره‌مند شوند. در جهانی که وابستگی به باتری هر روز بیشتر می‌شود، ایمنی به اندازه ظرفیت و سرعت شارژ اهمیت دارد. باتری‌هایی که بتوانند خود از آتش جلوگیری کنند، شاید همان تحول بزرگی باشند که صنعت انرژی، سال‌ها در انتظار آن بوده است.
