ذخیرهسازی انرژی الکتروشیمیایی در مقیاس بزرگ یکی از چالشهای اصلی فناوری در حال حاضر است. جامعه علمی در دانشگاه و صنعت در سراسر جهان به طور جدی در حال بررسی مفاهیم مختلف باتریهای قابل شارژ جایگزین در کنار باتریهای پیشرفته لیتیوم یونی است، به عنوان مثال، باتریهای حالت جامد، باتری های لیتیوم-سولفور یا باتری های منیزیم-گوگرد. که میتوانند در جنبههای مختلف از باتریهای لیتیوم-یون بهتر عمل کنند. اغلب، این مفاهیم همچنین انرژیهای نظری بسیار بالایی را در هر جرم یا حجم وعده میدهند. با این حال، از آنجایی که مقادیر نظری توسط پارامترهای متعددی مستقیماً به مقادیر انرژی عملاً قابل دستیابی تبدیل نمی‌شوند، شکاف‌های بین ظرفیت‌ها و ولتاژهای عملی در مقایسه با مقادیر نظری برای هر سیستم متفاوت است [۱].
چگالی انرژی نظری بالاترین مقدار انرژیای است که یک باتری میتواند بر اساس ترکیب، ویژگیها و مواد استفاده شده در آن ذخیره کند. این کمیّت معمولا بر اساس واکنشهای ایدهآل الکتروشیمیایی شارژ و تخلیه محاسبه میشود. به عنوان مثال:
چگالی انرژی نظری را میتوان با استفاده از معادله واکنش مواد فعال و تغییرات انرژی آزاد آن (ΔG۰) محاسبه کرد. به عنوان مثال، در واکنش زیر [۲]:
به دلیل این که ۲ فاراد الکترون در این واکنش شرکت میکنند، ظرفیت الکتریکی (Q) به این صورت محاسبه میشود:
| Q = nF = 2 × ۹۶۴۸۵ Q = 53.6 Ah |
و نیروی محرکه الکتریکی به این نحو محاسبه خواهد شد:
| V۰ = –ΔG۰/nF = 432 000 /(2 × ۹۶۴۸۵) V۰ = ۲.۲۴ V |
و انرژی الکتریکی:
| W = QV۰ = ۵۳.۶ Ah × ۲.۲۴ V W = 120.0 Wh |
این مقدار با تقسیم بر وزن کل مواد فعال، چگالی انرژی نظری را به شرح زیر خواهد داد:
| w = 120.0 Wh /(2 ×۶.۹۴ + ۳۲.۰۷) g w= 2610 Wh/kg |
از سوی دیگر، چگالی انرژی عملی مقدار انرژی واقعی قابل استخراج از باتری در شرایط واقعی است. چگالی انرژی نظری و عملی به دلیل وجود پارامترهایی مانند افت و خیزهای دمایی، مقاومت داخلی باتری، و شکاف عملکرد مواد فعال است. این شکاف عملکردی ماده فعال ناشی از دو عامل است [۳]:
- حین تخلیه باتری، لیتیوم نمی‌تواند به طور کامل وارد لایههای ماده فعال شود و مقداری از ظرفیت ماده فعال دست نخورده باقی میماند.
- عملکرد باتری – به عمد – محدود میشود تا از استخراج کامل یونهای لیتیوم از کاتد در طول فرآیند شارژ جلوگیری شود. تا ساختار کاتد دچار آسیب کمتری شود.
منابع:
[۱] J. Betz, G. Bieker, P. Meister, T. Placke, M. Winter, R. Schmuch, Theoretical versus Practical Energy: A Plea for More Transparency in the Energy Calculation of Different Rechargeable Battery Systems, Adv. Energy Mater. 9 (2019) 1900761. https://doi.org/10.1002/aenm.201900761.
[۲] M. Ue, K. Sakaushi, K. Uosaki, Basic knowledge in battery research bridging the gap between academia and industry, Mater. Horizons. 7 (2020) 1937–۱۹۵۴. https://doi.org/10.1039/D0MH00067A.
[۳] M.D. Radin, S. Hy, M. Sina, C. Fang, H. Liu, J. Vinckeviciute, M. Zhang, M.S. Whittingham, Y.S. Meng, A. Van der Ven, Narrowing the Gap between Theoretical and Practical Capacities in Li-Ion Layered Oxide Cathode Materials, Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1602888. https://doi.org/10.1002/aenm.201602888.
بدون دیدگاه