فناوری باتری در طول سالها پیشرفت چشمگیری داشته است؛ از باتریهای حالتجامد جدید که تقریباً دو برابر برخی از خودروهای برقی تسلا ظرفیت ذخیرهٔ انرژی دارند تا پژوهشهایی که به استفاده از بتنِ ذخیرهکنندهٔ انرژی میپردازند تا ساختمانها را به باتریهای عظیم تبدیل کنند. در همین راستا، باتریهای حرارتی نیز پتانسیل بالایی برای کاربردهای گوناگون دارند.
باتریهای حرارتی میتوانند در دماهای بسیار بالا که باتریهای سنتی قادر به تحمل آن نیستند، به طور مؤثر عمل کنند، به این معنی که میتوانند در برابر حرارت تا ۶۶۰ تا ۱۰۲۰ درجه فارنهایت مقاومت کنند. باتریهای حرارتی با استفاده از الکترولیتهای نمک مذاب، توان خروجی بالاتری نیز ارائه میدهند که آنها را به باتری مورد نظر برای تجهیزات نظامی، سیستمهای هوافضا و منابع تامین برق اضطراری تبدیل میکند.
در حال حاضر، مواد موجود در باتریهای حرارتی به دلیل دمای بالای مذابی که تولید میکنند، در حین کار حل میشوند. این خوردگی که به عنوان "اثر شاتل" شناخته میشود، یکی از رایجترین دلایلی که باعث شده این نوع باتریها در سالهای اخیر بهطور گسترده مورد استفاده قرار نگیرند چرا که بهواسطهٔ اثر شاتل، این باتریها بهمرور زمان ظرفیت خود را از دست میدهند و به کاهش بازده شارژ منجر می شود. اما پژوهش جدیدی از سوی دانشمندان چینی ممکن است راهی برای غلبه بر این مشکل یافته باشد.
در طول سالها، تلاشهای متعددی برای رفع این چالشها انجام شده است؛ از جمله افزودن انواع مختلف الکترودهای گوگردی به باتریها. هرچند برخی از این روشها تا حدی در مهار مشکل مؤثر بودهاند، اما پژوهش جدید انجام شده توسط تیم پژوهشی به سرپرستی پروفسور وانگ سونگ و ژو یونگپینگ از مؤسسه مهندسی فرایندِ آکادمی علوم چین ، یک پایهٔ بسیار امیدوارکننده ارائه میدهد که میتواند به دانشمندان و مهندسان کمک کند تا باتریهای حرارتی آینده با چگالی انرژی بالا را با استفاده از یک مادهٔ کاتدی نوآورانه طراحی کنند؛ مادهای که نهتنها عملکرد باتری را افزایش میدهد، بلکه اتلاف ناشی از اثر شاتل را نیز کاهش میدهد.
این رویکرد در نهایت نحوهٔ آرایش مواد درون باتری را تغییر میدهد و به آنها این امکان را میدهد میزان اتلاف ناشی از اثر شاتل را به حداقل برسانند. برای دستیابی به این هدف، پژوهشگران بر ایجاد یک مانع ویژه تمرکز کردند که ذرات خاصی را در ساختار داخلی باتری احاطه میکند؛ بهگونهای که برخی یونها بتوانند آزادانه در صورت نیاز حرکت کنند، در حالی که از جابهجایی و حلشدن یونهای دیگر جلوگیری میشود.
هستهٔ اصلی این مانع، پوستهای است که از «چارچوبهای آلی کووالانسی» یا COFها ساخته شده است. این مواد متخلخل دارای ساختارهای بلوری و کاملاً مشخصی هستند که پژوهشگران توانستند آنها را به پوششی تبدیل کنند که مسیرهای عبور بسیار ریز را بپوشاند، بدون آنکه مانع حرکت یونهایی شود که باید بهراحتی جابهجا شوند.
به گفتهٔ پژوهشگران، این دستاورد پایهای محکم برای طراحیهای آینده فراهم میکند، زیرا امکان کنترل بهتر و مهار مؤثرتر مواد در سلولهای حرارتی را به وجود میآورد. چنین پژوهشهایی اهمیت زیادی دارند، چرا که میتوانند به یافتن مواد جدید برای استفاده در باتریها، نه فقط لیتیوم ، کمک کنند.
همانطور که پیشتر اشاره شد، باتریهای حرارتی مدتهاست توجه دانشمندان و مهندسان را به خود جلب کردهاند؛ عمدتاً به این دلیل که میتوانند در شرایطی کار کنند که باتریهای معمولی از عهدهٔ آن برنمیآیند مانند محیطهایی با دماهای بسیار شدید. در حال حاضر نیز از این نوع باتریها در کاربردهای نظامی، برخی سامانههای هوافضا و حتی تجهیزات حفاری چاههای عمیق استفاده میشود؛ جاهایی که عملکرد و قابلیت اطمینان باتری باید به شدت تحت کنترل باشد.
باتریهای حرارتی بیشتر در کاربردهای نظامی، مانند عملیات موشکی، استفاده میشوند. انتظار میرود که بازار نظامی باتریهای حرارتی تا سال ۲۰۳۳ به ارزش ۲۷۴.۲ میلیون دلار برسد - گرچه اگر تحقیقات چین عمر و خروجی باتری حرارتی را بهبود بخشد، این رقم میتواند حتی بیشتر هم باشد. به دلیل انرژی بالا و قابلیت اطمینان باتریهای حرارتی حتی در دماهای بسیار بالا، این باتریها در طیف وسیعی از تجهیزات نظامی استفاده میشوند و به آنها اجازه میدهند تا زمانی که توسط یک منبع گرما فعال نشوند، غیرفعال باقی بمانند. در داخل باتریهای حرارتی نظامی، یک پالت پودر آهن و پرکلرات پتاسیم وجود دارد که در صورت فعال شدن، مشتعل میشود. این
گلوله تا دمای بسیار بالایی گرم میشود و الکترولیتهای باتری را ذوب میکند. تا آن زمان، باتریها میتوانند سالها غیرفعال باقی بمانند.
همزمان با اینکه ارتشهای سراسر جهان به دنبال افزایش توان دفاعی و بهبود فناوریها هستند، باتریهای حرارتی بیش از پیش مطلوب میشوند. در حالی که باتریهای حرارتی در توپخانه، فضاپیما و موشک استفاده میشوند، انتظار میرود بیشترین افزایش استفاده مربوط به موشکها باشد - این به دلیل ماندگاری طولانی و توانایی آنها در تأمین انرژی فوری در صورت تقاضا است. اگر باتریهای حرارتی بتوانند حتی بیشتر دوام بیاورند، استفاده نظامی آنها میتواند گسترش یابد .
به همین دلیل، یافتن راهی برای غلبه بر موانعی که مانع گسترش طراحیهای رایج باتریهای حرارتی شدهاند، هدفی بسیار مهم به شمار میرود. اگرچه این پژوهش بهطور کامل راهحل نهایی را ارائه نمیدهد، اما پایهای قوی در اختیار دانشمندان قرار میدهد تا بر اساس آن، باتریهای حرارتی را در آینده بهبود دهند.
منابع:
https://www.aircela.com/the-science
https://www.slashgear.com/2089332/china-high-efficiency-thermal-battery-cathodes/