خازنهایِ لیتیوم – یون در خودروهای برقی

حتی اگر از نظر ظاهر خارجی،  خودروهای برقی در مرحله نخست فرقی با خودروهای معمولی نداشته باشند ولی بسبب خصوصیات منحصر بفرد باتریهای خودروهای برقی، ساختار آنها با خودروهایی که سوخت فسیلی دارند متفاوت میباشد. و در این میان تفاوت نقش باتری بعنوان تامین کننده نیروی محرکه و موتور کاملا مشخص میباشند. از اینرو در سازماندهی خودروهای برقی از باتری و خازن بصورت مشخص و جداگانه یاد میشود. باتری که همان نقش باتری را در خودروهای معمولی بازی میکند با اندکی تفاوت و دیگری خازن که نقش باک ماشین را بعهده گرفته. امروزه پس از انجام آزمایشهای گوناگون و با در نظر گرفتن شرایط بخصوص خازنهای لیتیوم – یون را عمدتا در خودروهای برقی بکار میبرند که در این نوشتار کمی به آن میپردازیم.

خازنهایِ لیتیوم – یون  در همه جایِ جوامع امروزی وجود دارند. آنها در تقریباً همه دستگاه‌هایِ برقی‌ مانند کامپیوتر، موبایل، لپ تاپ، دوربینهای عکس و فیلمبرداری و خیلی چیزهای دیگر و همچنین خودروهایِ برقی‌ حضور‌ دارند و در نظر گرفته شده است که در آینده مشکلاتِ ذخیره کردنِ برقِ موردِ نیازِ لوازمِ برقی‌ را حل کنند.

بر خلافِ باتریهایِ معمولی‌ که با موادِ همیشگی‌ مانندِ نیکل کادمیوم و یا سرب ساخته می‌شوند، میتوان در ساختِ خازنهایِ لیتیوم‌یون موادِ گوناگونی را بکار برد. از همینرو نیز پیوسته کاوش و کوشش میگردد که با بکار بردن مواد و آلیاژهایِ نو، توان و  حجمِ نیرویِ ذخیره شده را در این خازنها بالاتر ببرند.

نخستین قواعد و قوانینِ پایهِ خازنهایِ لیتیوم ‌یون در سالِ ۱۹۷۰ در دانشگاهِ صنعتی‌ِ مونیخ پس از انجام پژوهش‌هایی منتشر گشتند. اما در این پژوهش‌هایِ آکادمیک و علمی‌  نحوه‌هایِ بکار گیریِ عملی‌ِ آنها در نظر گرفته نشده بودند.

ابتدا در سالِ ۱۹۹۱ بود که نخستین باتریهایِ لیتیوم ‌یون بصورتِ عملی‌ توسط کارخانجاتِ سونی ساخته و به همراهِ دوربینهایِ فیلمبرداری سونی بنامِ مدلِ  CCDTR1روانه بازار گشتند.

 بلافاصله پس از این موفقیتِ سونی، شرکتِ سانیو کاوش‌هایِ بیشتری بر رویِ اینگونه باتریها انجام داد و خازنی ساخت که در آن‌ از گرافیت در آندِ خازن استفاده گشته بود. این روش تا به امروز هم در ساختِ خازنهایِ لیتیوم – یون بکار گرفته میشود.

 سلولها در تکنولوژیِ خازن سازی کوچکترین واحد هستند. یک خازن میتواند یک یا چندین سلول داشته باشد.

                                                      یک سلولِ خازنِ لیتیوم‌ یون

جزئیاتِ یک سلولِ خازنِ لیتیوم‌ یون در نگاره زیر نمایش داده شده که بدنبالِ آن‌ شرحشان خواهد آمد.

                           

الکترودِ منفی‌ که آند خوانده میشود از یک لایهِ مسین و یک لایه ذغالی (گرافیت) تشکیل گشته به اینصورت که بر رویِ لایه مسین یک لایهِ گرافیتی با ضخامتِ تقریبیِ ۱۶ میکرومتر قرار گرفته.

به مجموعِ آن‌  ماده میزبان می‌گویند و به هنگامِ پر کردنِ باتری بصورتِ خنثی میا‌‌نِ الکترود‌ها و لیتیوم ‌یون عمل می‌کند. بجز گرافیت موادِ دیگری هم وجود دارند که اینکار را انجام دهند اما هیچکدام قدرتِ جذبِ ذغال را نداشته (۳۷۲ میلی‌ آمپر ساعت / گرم) و از نظرِ ایمنی‌ به پایِ آن‌ نمیرسند.

کاتد که همان الکترودِ مثبت است، از یک لایه آلومینیومی و یک اکسیدِ فلزی تشکیل شده. لایه آلومینیومی تقریباً ۱۵ میکرومتر ضخامت داشته و وظیفه هدایتِ جریانِ برق در سمتِ کاتد را دارد. ضخامتِ اکسیدِ فلزی بستگی به نوعِ آن‌ اکسید دارد، برایِ مثال اگر نیکل منگان کبالت به کار رفته باشد، ضخامتی برابرِ با ۱۵۰ میکرومتر دارد.

با گذشتِ زمان آلیاژ‌هایِ گوناگونی جهتِ ساختنِ کاتد‌ها عرضه گشتند که ما در اینجا به سه‌ تا از مهمترینِ آنها اشارهِ کوتاه می‌کنیم.

تفکیک کننده که در واقع عایقِ الکتریکی‌ و سپرِ مکانیکی میا‌‌نِ الکترود‌هایِ مثبت و منفی‌ِ یک سلول میباشد. تفکیک کننده که معمولا از لایه پلاستیکیِ ۲۰ – ۲۵ میکرومتری درست شده، می‌باید که بطورِ دائم از ایجادِ اتصالی جلوگیری کند و تا دستِ کم ۹۰° سانتیگراد نیز مقاومت داشته باشد.

همهِ این عناصر درون یک سیال بدونِ آب با قابلیتِ هدایتِ بالا قرار دارند که الکترولیت خوانده میشود. الکترولیت میبایست بسیار پاک و غنی‌ باشد تا عملیات پر و خالی‌ گشتنِ خازن براحتی انجام پذیرد.

مجموعهِ همه موادِ یاد شدهِ بالا، یک پایه را تشکیل میدهند. یک سلولِ لیتیوم ‌یون میتواند دارایِ یک یا چند پایه باشد.

در حالِ حاضر سه‌ گونه سلولِ لیتیوم ‌یون از بقیه متداولتر میباشند.

۱ -  سلولهایِ کیسه ای، اینها به این سبب کیسه ای خوانده می‌شوند زیرا بدنه آنها از آلومینیومِ نرم ساخته شده که با بیرون کشیدنِ هوا در آن‌ خلع ایجاد گشته و سپس لبه‌هایش به هم جوش داده شده‌اند. این گونه سلولها به سببِ وزنِ کمشان بیشتر در وسایلِ الکتریکی‌ مانندِ سمارت فون، لپ تاپ و همچنین در صنعتِ خودرو سازی بکار میروند. ایرادی که به سلولِ کیسه لی میتوان گرفت پایین بودنِ ضریبِ ایمنیِ آنست که هم خراش و هم ضربه پذیر میباشد و هم در برابرِ حرارتِ بالا مقاومتِ زیاد ندارد.

۲ – سلولهایِ منشوری که دیواره‌هایِ مقاوم دارند. اینها در حالِ حاضر قطعاتِ ثابت و اجتناب ناپذیر در صنعتِ خودروسازی، ساختمان و کارخانجات هستند. دیوارهِ این سلولها بیشتر از جنسِ آلومینیومِ مقاومی ساخته شده است که عنصر یا عناصرِ پایه را در خود جای میدهد.

در هنگامِ اضافه بارِ الکتریکی‌ و یا اتصالی دریچه ای در آن‌ باز میشود که گاز‌هایِ تولید شده را بگونه مهار شده به خارج می‌فرستد. از همینرو سلولهایِ منشوری بخصوص در صنایع خودروسازی ترجیح داده می‌شوند.

۳ – سلولهایِ استوانه ایِ ۱۸۶۵۰. این سلولها نامِ خود را مدیونِ قطرِ ۱۸ میلیمتری و طولِ ۶۵۰ میلیمتریِ خود هستند که بصورتِ لوله ای پیچیده شده‌اند. این سلولها نیز ضریبِ ایمنیِ بالا دارند و در آغاز برایِ کامپیوتر و لپ تاپ ساخته شدند.

در پایان میخواهم اشاره کوتاهی نیز به وضعیتِ لیتیوم نمایم.

همانطور که پیشتر نیز به آن اشاره شد، در حالِ حاضر با بیشتر مطرح شدن خودروهایِ برقی‌، در کنارِ باتریها و خازنهایِ دیگر وسایلِ الکترونیکی‌ ساختِ خازن برایِ خودروهایِ برقی‌ نیز به میا‌‌ن آمده. برایِ اینکار بیشتر از هرچیزی نیاز به دسترسی به لیتیوم میباشد که بیشتر از کانهایِ مثلثِ لیتیوم (آرژانتین، شیلی و بولیوی) تامین میگردد. منابع این معادن بنا به پیش‌بینی‌ها تا سالِ ۲۰۵۰ به پایان میرسند، یعنی هنوز آغاز نکرده زنگِ پایان دارد به صدا در میاید.

در کشورِ مجاورِ ما افغانستان اما در سالِ ۲۰۱۰ معادنی شناسائی شده اند که به تنهایی‌ میتوانند نبودِ مثلثِ لیتیوم را تا دهه‌ها پس از بپایان رسیدنِ آنها جبران نمایند و به افغانستان آن‌ ارج و منزلتی را دهند که نفت امروزه به عربستان داده است.

در کنارِ همه اینها نیز نباید از نظر دور داشت که بازیافتِ باتریهایِ خودروهایِ برقی‌ یکی‌ از بزرگترین چالش‌هایِ موجود میباشد که تا کنون راهِ حلِ مناسبی برایِ آن‌ یافته نشده و هر چند که دو شرکتِ کانادایی و بلژیکی دست به کارهایی زده اند ولی‌ هم از نظرِ تعداد کم میباشند و هم اینکه روش‌هایِ بکار گرفته شده توسطِ ایشان تا کنون متخصصین را متقاعد نکرده است.