باتری های لیتیوم یون قابل شارژ در مقابل باتری های یکبار مصرف: در چهارراه انقلاب انرژی

بین یادآوری های دو روزه شارژ یک ساعت هوشمند و طول عمر سالهای باتری کنترل از راه دور ، جامعه مدرن در حال انقلاب انرژی ساکت است. براساس آژانس بین المللی انرژی ، اندازه بازار جهانی باتری در سال 2023 از 150 میلیارد دلار فراتر رفته است ، در حالی که باتری های لیتیوم یون قابل شارژ 68 ٪ از سهم بازار را تشکیل می دهند ، در حالی که باتری های یکبار مصرف قلیایی هنوز 29 ٪ از فضا را دارند. رقابت بین این دو مسیر تکنولوژیکی فقط انتخاب حامل های انرژی نیست بلکه نشان دهنده تفکر عمیق بشریت در مورد مسیرهای توسعه پایدار است.

I. شکاف اساسی در اصول فنی

‌1.1 سفر یون های لیتیوم

رمز و راز باتری های لیتیوم یون قابل شارژ در یون های لیتیوم "نوسان" نهفته است. با استفاده از باتری های اصلی لیتیوم سه قلو به عنوان نمونه ، در هنگام شارژ ، یون های لیتیوم از کاتد اکسید نیکل-کابل-مانگان لایه بندی شده جدا شده ، از جداکننده پلیمری عبور کرده و درون آند گرافیت قرار می گیرند. در حین تخلیه ، آنها برای تولید جریان به صورت معکوس حرکت می کنند. این طرح یک باتری 18650 را قادر می سازد تا به ولتاژ 3.7 ولت و چگالی انرژی بیش از 250 ساعت بر کیلوگرم ، معادل یک و سنی هیت وزن بنزین برسد. ظهور باتری های حالت جامد ، که از الکترولیت های سولفید برای جایگزینی مایعات قابل اشتعال استفاده می کنند ، دمای شروع حرارت حرارتی را از 120 درجه به 400 درجه افزایش می دهد.

‌1.2 واکنش شیمیایی یک طرفه 

جوهر باتری های یکبار مصرف در واکنشهای شیمیایی کنترل شده با دقت طراحی شده است. در باتری های قلیایی ، پودر روی با دی اکسید منگنز در الکترولیت هیدروکسید پتاسیم از طریق کاهش اکسیداسیون واکنش نشان می دهد و ولتاژ پایدار 1.5 ولت را تولید می کند. ساختار مهر و موم شده آن باعث می شود که واکنش غیر قابل برگشت باشد ، هنگامی که پوسته روی کاملاً فاسد شود یا دی اکسید منگنز تخلیه شود ، خاتمه می یابد. باتری های یکبار مصرف لیتیوم تونیل کلرید عملکرد حیرت انگیز دارند: با چگالی انرژی 650WH\/کیلوگرم ، آنها می توانند در محیط های مختلف از درجه 5 {5}} تا 150 درجه کار کنند و تنها 5 ٪ از بار خود را نسبت به دوره ذخیره سال 8 {8}} از دست می دهند.

ii. یک رقابت جامع از پارامترهای عملکرد

‌2.1 پارادوکس چگالی انرژی

ظاهراً داده های متناقض جوهر فناوری را نشان می دهد: در حالی که چگالی انرژی باتری های کلرید لیتیوم تنییل یکبار مصرف 2.6 برابر باتری های لیتیوم است ، باتری های لیتیوم قابل شارژ انرژی معادل 1300 ٪ را در کل چرخه حیات خود (500 چرخه) آزاد می کنند. این توضیح می دهد که چرا تلفن های هوشمند باتری های لیتیوم را انتخاب می کنند ، در حالی که ضربان سازان اصرار دارند باتری های لیتیوم یکبار مصرف-سابق به تأمین انرژی مداوم نیاز داشته باشد ، در حالی که دومی قابلیت اطمینان مطلق را در اولویت قرار می دهد.

‌2.2 مسابقه زمانی

در آزمایشات عمر چرخه ، باتری های فسفات آهن لیتیوم 80 ٪ از ظرفیت خود را پس از 2000 چرخه شارژ شارژ در 25 درجه حفظ می کنند ، در حالی که باتری های هیدرید نیکل فلزی بعد از 500 چرخه کاهش ظرفیت را به 60 ٪ کاهش می دهند. در مقابل ، باتری های قلیایی باز نشده میزان خود تخفیف حدود 2 ٪ در سال دارند ، در حالی که بسته های باتری لیتیوم دارای نرخ {9}} ٪ هستند. این یک پدیده جالب را ایجاد می کند: دستگاه هایی که برای مدت طولانی بیکار مانده اند ، بهتر از باتری های یکبار مصرف مناسب هستند ، در حالی که آنهایی که در استفاده مکرر هستند باید گزینه های قابل شارژ را انتخاب کنند.

‌2.3 استاندارد ایمنی دوگانه

در آزمایش های سوراخ دار ، باتری های لیتیوم کاملاً شارژ شده می توانند در طی سه دقیقه تا 8 {1}} 0 درجه گرم شوند و باعث فراری حرارتی شوند ، در حالی که باتری های قلیایی فقط نشت الکترولیت را تجربه می کنند. با این حال ، در برنامه های کاربردی ، بسته های باتری لیتیوم از سیستم های مدیریت باتری (BMS) استفاده می کنند تا نرخ خرابی را زیر 0.001 ‰ نگه دارند ، در حالی که باتری های یکبار مصرف باعث می شوند 2 ، 4}} فوریت های کودکان سالانه به دلیل مصرف. ایمنی هرگز یک پیشنهاد مطلق نیست بلکه تعادل در مهندسی سیستم است.

iii دفترچه مخفی اقتصاد و محیط زیست

‌3.1 تاشو زمانی محاسبات هزینه

طی یک دوره ده ساله ، کل هزینه محلول باتری لیتیوم برای کنترل از راه دور تنها یک هفتم باتری های قلیایی است. این اثر تخفیف زمانی حتی در بخش وسایل نقلیه الکتریکی نیز برجسته تر است: اگرچه باتری های لیتیوم 40 ٪ از کل هزینه خودرو را تشکیل می دهند ، اما هزینه برق در هر کیلومتر 75 ٪ کمتر از وسایل نقلیه بنزین است.

‌3.2 اثر پروانه ردپای کربن

تحقیقات از موسسه فناوری ماساچوست نشان می دهد که تولید 1 کیلووات ساعت باتری لیتیوم 110 کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می کند ، در حالی که انرژی معادل باتری های یکبار مصرف 280 کیلوگرم CO2 ساطع می کند. با این حال ، هنگامی که بازیافت در نظر گرفته می شود ، باتری های لیتیوم می توانند با استفاده از ثانویه ، ردپای کربن خود را 60 ٪ دیگر کاهش دهند. این معضل واقعی در این واقعیت نهفته است که تنها 32 ٪ از باتری های لیتیوم جهانی وارد کانال های بازیافت رسمی می شوند ، در حالی که میزان بازیافت باتری های یکبار مصرف کمتر از 5 ٪ است ، در نتیجه 120 ، {8} tons فلزات سنگین سالانه به خاک می روند.

IV قوانین بقا سناریوهای برنامه

‌4.1 مناطق غیر قابل تعویض برای باتری های یکبار مصرف

در ایستگاه های فضایی 400 کیلومتری بالاتر از زمین ، باتری های کلرید لیتیوم تونیل کلرید منبع تغذیه اضطراری ارجح به دلیل ویژگی های صفر آنها هستند. در ضربان سازهای قابل کاشت ، باتری های یکبار مصرف باید از منبع تغذیه پایدار به مدت ده سال اطمینان حاصل کنند. و در کپسول های نجات مین ، هرگونه خطر شارژ کاملاً ممنوع است. منطق مشترک در این سناریوها این است که هزینه زندگی بسیار بیشتر از هزینه انرژی است.

‌4.2 در حال گسترش قلمرو باتری های لیتیوم

هنگامی که دستگاه های خانه هوشمند نیاز به انتقال داده ها 120 بار در روز دارند ، هنگامی که هواپیماهای بدون سرنشین کشاورزی باید به مدت چهار ساعت در این زمینه به طور مداوم کار کنند و هنگامی که نیروگاه های مجازی نیاز به ذخیره انرژی خورشیدی دارند ، ماهیت چرخه ای باتری های لیتیوم تسلط را نشان می دهد. سیستم ذخیره انرژی خانه PowerWall Tesla ، از طریق 5000 چرخه ، می تواند 40 ٪ هزینه های برق خانوار را کاهش دهد ، یک مدل اقتصادی که دستگاه های تخلیه یک طرفه هرگز نمی توانند با آن مطابقت داشته باشند.

V. متغیرهای مختل کننده در مسیر مسابقه آینده

پیش بینی می شود فناوری باتری با حالت جامد تا سال 2030 به تولید انبوه برسد ، با تراکم انرژی بیش از 500 ساعت بر کیلوگرم و چرخه های چرخه ای از 10 ، {4}} چرخه. یک تغییر حتی انقلابی تر از زیستگاه های زیستی ناشی می شود: سلول سوخت قند توسعه یافته توسط دانشگاه هاروارد ، که از یک واکنش آنزیم کاتالیز شده بین گلوکز و اکسیژن استفاده می کند ، در آزمایش حیوانات به مدت 30 روز به مدت 30 روز به یک ریزگرد مداوم رسیده است. محبوبیت فناوری شارژ بی سیم پتانسیل بازسازی اکوسیستم انرژی را دارد-در حالی که هر صندلی در یک ساختمان اداری می تواند به صورت بی سیم تأمین شود ، باتری ها دیگر صرفاً به عنوان ظروف انرژی بلکه به عنوان رسانه انتقال نیستند.

در این انقلاب انرژی به ظاهر آرام ، بشریت در یک آبخیزداری در انتخابات قرار دارد: آیا باید منطق مصرف قرن بیستم را با باتری های یکبار مصرف ادامه دهیم ، یا باید یک تمدن انرژی جدید را با یک سیستم قابل بازیافت بسازیم؟ این پاسخ ممکن است در آخرین آزمایشات انجام شده توسط شرکت Yuasa در ژاپن باشد-آنها کل کارخانه خود را با باتری های خودروهای برقی بازیافت می کنند ، در حالی که در خط مونتاژ ، نسل جدیدی از باتری های زیست تخریب پذیر زیستی تولید می شود.

‌