باتری‌های لیتیوم یون ( مبانی و کاربردها )

مرجع پلیمر در بازار ایران: آلودگی هوا در تهران و کلان‏شهرها به مشکلی اساسی تبديل شده است. با وجود آمارهای مختلف (و البته گاه متناقض) دربارۀ سهم بخش‌های مختلف در آلودگی هوای تهران، آنچه در تمام این آمارها مشترک است، این است که بیش از 60% از آلودگی ذرات معلق بیشتر از 5/2 میکرون را که معیار اصلی در اعلام کيفيت هواست اتوبوس‏ها (اعم از شرکت واحد و بخش خصوصی)، کامیون‏ها و موتورسيکلت‏ها ایجاد می‌کنند.

خرید کتاب

در ميان راه‌کارهای مختلفی که برای کاهش آلاينده‏ها در ميان‌مدت و بلندمدت ارائه شده است، برقی‏کردن خودروها اعم از موتورسیکلت‏ها، اتوبوس‎ها و خودروهای سواری یکی از راه‏کارهای اساسی است. برقی‏کردن کامیون‌ها به‌ویژه کاميون‏های مخصوص حمل زباله نيز در گام‏های بعدی باید مورد توجه قرار گیرد.

یکی از بخش‏های فناورانۀ خودروهای برقی شامل خودروهای هيبريدی، باتری است. نکتۀ اساسي‌ای که دربارۀ باتری باید به آن توجه شود، سرعت تغییرات فناورانه در اين صنعت است. برای مواجهه با این شرايط راهی جز انجام تحقیق و توسعه و حرکت در مرز دانش وجود ندارد و سرمايه‏گذاری در بخش توليد، بدون توجه به تغییرات فناورانۀ بسیار سريع در اين زمينه می‌تواند خسارات جبران‏ناپذیری در آیندۀ نزدیک به بار آورد.

با توجه به شرايط جغرافيايی کشور و امکان و ضرورت استفاده از انرژی‏های پاک خورشيدی و بادی، ايجاد و توسعۀ ايستگاه‏های ذخيره‏سازی انرژی برق یکی ديگر از اقداماتی‏ است که نیازمند توجه ويژه است. وجود اين ايستگاه‏ها درکنار نيروگاه‏های با سوخت فسيلی میتواند انرژی مازاد توليد‏شده در ساعات غيراوج را ذخيره کرده و در زمان اوج مصرف در اختيار شبکه قرار دهد. اين اقدام ضمن افزایش بهره‏وری، کشور را از سرمایه‏گذاری‏های کلان برای توسعۀ نيروگاه‏ها بی‏نياز می‏کند. درصورت گسترش حمل و نقل برقی، شارژ شبانۀ خودروهای برقی می‌تواند نقش انبارش انرژی الکتريکی را در ساعات کم‌مصرف بازی کند.

بديهی است بدون وجود دانش ساخت باتری در کشور، مخصوصاً در شرايط تحريم، امکان انجام چنين پروژه‏هایی وجود نخواهد داشت و درصورت انجام به احتمال زیاد غيراقتصادی خواهد بود.

نبود کتابی جامع و به‏روز در زمينۀ تولید باتری و ضرورت وجود منبعی مناسب که بتواند اطلاعات جامعی را هم برای تصميم‏گيران و هم برای محققان و سازندگان فراهم آورد، ما را برآن داشت تا کتاب “lithium-Ion Batteries: Basics and Applications” اثر Reiner Korthauer را ترجمه کنیم. اميدواريم مطالعۀ اين کتاب بتواند به افزايش سطح دانش علاقه‏مندان کمک کند و گامی روبه‌جلو برای توسعۀ حمل‌ونقل برقی باشد.

لازم می‏دانيم از جناب آقای مهندس سهيل يزدانبخش، رييس هيئت مديرۀ مرکز آموزش علمی-کاربردی پارت‌لاستيک و دبير کميتۀ علمی انجمن سازندگان قطعات و مجموعه‌های خودرو که پشتيبان و راهنمای ما در انجام اين اقدام بوده‏اند، به‌صورت ويژه تشکر کنیم. همچنين از جناب آقای رضا هاشمی، عضو هیئت مدیرۀ انجمن سازندگان قطعات و مجموعه‏های خودرو و رييس هيئت مديرۀ شرکت آذين‏تنه که در ارائۀ ايدۀ اوليه برای انجام تحقيقات روی خودرو برقی نقش محوری داشتند و در ادامه نیز حامی معنوی تيم علمی بودند، تشکر می‏کنیم.

از تيم علمی ترجمه که با برگزاری جلسات منظم در قالب مطالعۀ گروهی به درک علمی بخش‏های پيچيدۀ کتاب کمک کردند، مخصوصاً از جناب آقای مهندس محمدعلی باقريان، مسئول بخش باتری ستاد توسعۀ فناوری نانو که حضور بسیار مؤثری در اين کار تيمی داشتند، تشکر می‏شود.

از آقای مهندس مهدی نجم‌آبادی، مدیر کارخانه و خانم مهندس ناهید خسروی، مدیر مهندسی شرکت همگرتوس نیز که ضمن شرکت در جلسات مطالعۀ گروهی تيم علمی، طراحی و ساخت دستگاههای مورد نیاز برای تجهيز آزمایشگاه نمونه‏سازی باتری (مورد حمايت ستاد توسعۀ نانو) را به عهده داشتند و همچنين زحمت ويرايش علمی فصل دوازدهم را متقبل شدند، به‌صورت ویژه سپاسگزاری می‏شود.

ويرايش علمی کتاب را آقای دکتر محمدباقرخواجه‏باشی انجام دادند که از ايشان هم تشکر می‏کنيم. فصل‌های چهاردهم و پانزدهم اين کتاب را جناب آقای مهندس پيام ندایی، مدیر تکنولوژی اطلاعات گروه صنعتی پارت لاستیک بازبينی کرده‌اند که زحمات ایشان را نيز ارج می‌نهیم.

در پايان لازم می‏دانم که نامی از جناب آقای ایرج یزدانبخش، مدیر عالی و بنیان‏گذار گروه صنعتی پارت‌لاستیک که اينجانب به‏عنوان شاگردی کوچک افتخار تحصيل در مکتب انسان‏سازی ايشان را داشته و دارم نیز به ميان آورم و بدين بهانه ضمن آرزوی سلامتی و طول عمر برای آن صنعت‌آفرين فرهيخته، کتاب حاضر را به ايشان تقديم کنم.

ضمن طلب بخشش از خوانندگان عزیز بابت اشکالات احتمالی در ترجمۀ کتاب خواهشمندم از طريق آدرس ايمیل زير نظرات اصلاحی خود را به اينجانب منعکس فرمایند.

علی عمارلو

 بهمن 1398 خورشيدی

خرید کتاب

مقدمه مولف

زندگي امروز بشر بدون باتري غيرقابل‏تصور است. انرژي ذخيره‏شده تبديل به بخشي جدايي‏ناپذير از زندگي روزمره ما شده است. بدون اين فناوری بيش از 100 ساله، داستان موفقيت لپ‏تاپ‏ها، تلفن‏هاي همراه و تبلت‏ها امکان‏پذير نخواهد ‏‏بود. ‏‏اگرچه روش‏هاي زيادي براي ذخيره‏سازي برق وجود دارد، تنها يک سيستم است که انتظارات مصر‏ف‏کنندگان از يک فضاي ذخيره‏سازي يا همان باتري قابل‏شارژ را برآورده مي‏کند. اين باتري است که ‏‏مي‏‏توان آن را با يک دکمه, تخليه و شارژ کرد. دقيق‏تر اگر بخواهيم بگوييم، باتري يک سيستم ذخيره‏سازي براي برق نيست، بلکه يک مبدل انرژي الکتروشيميايي است ودر دهه‏هاي اخير توسعه آن مرهون طي‏کردن مسير بسيار پيچيده‏اي بوده‏است.

تاريخ باتري، به‏عنوان يک عنصر اوليه و هم عنصرثانويه، هنوزکاملا مشخص نشده‏است. ما ‏‏مي‏‏دانيم که پيل الکتريکي توسط اِی.ولتا (A. Volta  1745 – 1827 ميلادي) در حدود 1800 ميلادي معرفي شد. حدود 65 سال بعد، ‌در سال 1866ميلادي، جي.لکلانشه (G. Leclanche 1839 – 1882ميلادي) ثبت اختراعي را براي اجزاي اوليه انجام داد که اصطلاحا پيل لکلانشه ناميده ‏‏مي‏‏شد. اين پيل شامل ‏‏آند‏‏ روي، ‌يک کاتد گرافيت و يک الکتروليت ساخته‏شده از کلريدآمونيوم‏‏ بودند .کاتد داري پوشش دي‏اکسيدمنگنز در سطح تماس با الکتروليت ‏‏بود. سي.گاسنر( C. Gassner1855-1942 ميلادي) اين سيستم را توسعه داد و در سال 1901پي.اشميت (  P.Schmidt1868-1888 ميلادي) موفق به اختراع اولين پيل خشک گالوانيکي براساس روي وکربن شد.

توسعه بيشتر باتري‏ها – پيل‏هاي اوليه و هم پيل‏هاي ثانويه- ‏‏مي‏‏تواند به‏عنوان يک کار تحقيقاتي درنظرگرفته ‏شود. هيچ پيشرفت خاصي دررابطه با افزايش انرژي ويژه يا توان ويژه وجود نداشته ‏است. بااين‏وجود خواص فني و شيميايي اين پيل‏ها به‏طور مداوم بهبود يافته‏اند. امروزه، تقريبا تمام سيستم‏هاي باتري داراي ثبات چرخه و ايمني بالا هستند و به‏طورکامل بي‏نياز از تعمير و نگهداري مي‏باشند.

تا آغاز دهه 1970که عصر جديد آغاز گرديد، ‌اتفاق خاصي نيفتاد. اولين ايده‏ براي يک سيستم جديد در دانشگاه فني مونيخ، آلمان زاده شد: باتري‏هاي ليتيمي با درونرفت برگشت‏پذير يون‏هاي ليتيم در آند کربني و کاتد اکسيد فلزات. اين ايده اوليه چند سال پيش از آن ‏‏بود که اولين باتري ليتيمي ‏تجاري در سال ميلادی1991 توسط سوني به بازار عرضه شد. توسعه پايدار که همچنين شامل استفاده از مواد جديد ‏‏بود – به اين موفقيت بي‏نظير منجر شد.

امروزه ما با چالش‏هاي جديد مواجه هستيم. تغيير الگو‏هاي ذهنی در حمل‏ونقل و تامين انرژي (گذر از سوخت‏هاي فسيلي) نياز به سيستم‏هاي ذخيره‏سازي جديد، کم‏هزينه، کم‏نياز به نگهداري و سبک‏وزن دارد. اين الزامات تاحدي متناقض‏اند و بنابراين به‏طورکامل قابل‏اجرا نيستند. درنتيجه، فشار زيادي بر روي ‏‏تحقيق‏وتوسعه و همچنين بخش صنعت ايجاد شده است تا نوآوري‏هايي که ما را به اين هدف نزديک‏تر ‏‏مي‏‏کند، ارائه دهند. ‏‏اگرچه فعاليت‏هاي ‏‏تحقيق‏وتوسعه در سال‏هاي اخير افزايش يافته‏اند، که بخشي از آن بخاطر ايجاد موسسات جديد در دانشگاه‏ها و مراکز تحقيقاتي‏‏بوده است، کافي‏‏بودن اين اقدامات را زمان مشخص خواهد کرد.

هدف از باتري‏هاي ليتيم-يون: مباني و کاربردها، اين است که سهم کوچکي را براي موفقيت در مديريت تغييرات ناشي از تغيير الگوها ايجاد کند. ارائه 32 مقاله، توسط 54 نويسنده, يک مرورگسترده از تمام زمينه‏هاي مرتبط با باتري ليتيم-يون: شيمي‏‏ و طراحي يک باتري، توليد باتري، استقرار سيستم باتري در دو مورد از مهم‏ترين ‏کاربردها و همچنين مسائل مربوط به ايمني، حمل‏ونقل و بازيافت را فراهم ‏‏مي‏‏آورد.

اين کتاب به پنج بخش تقسيم شده است. درابتدا، يک مرور کلي از سيستم‏هاي مختلف ذخيره‏سازي و تبديل انرژي الکتريکي ارائه شده است. بخش دوم به تمام جنبه‏هاي باتري ليتيم-يون اختصاص يافته است. مواد و اجزاي مهم سلول با جزئيات ارائه شده‏اند. اين اجزاء شامل مواد شيميايي کاتد و آند و همچنين نمکهاي هادي و الکتروليت مي‏باشند. چند فصل به طراحي مدولار سيستم باتري اختصاص داده شده است. ماژول‏ها به‏نوبه‏خود از تعداد زيادي از سلول‏ها و اجزاي مکانيکي لازم ساخته شده‏اند. بعد از آن، اجزاي الکتريکي توضيح داده شده‏اند. اين قسمت با جزئياتي در مورد مديريت حرارتي و سيستم مديريت باتري و چشم‏انداز تمام ‏‏مي‏‏شود.

بخش سوم بر منابع توليدي موردنياز براي ساخت باتري تمرکز دارد و به‏دنبال آن روش‏هاي آزمون کيفي لازم آورده شده‏اند. قبل از آنکه باتري، بکارگرفته شود مجموعه‏اي از سوالات مربوط به حمل‏ونقل، ايمني و بازيافت – و بيشتر – بايد مورد توجه قرار گيرند. بخش چهارم به اين مسائل اختصاص داده شده است. در انتها از لحاظ ترتيب و نه اهميت، کاربردها – در زمينه برقی و استفاده‏هاي ثابت – در فصل پنجم و آخرين بخش شرح داده شده‏اند.

هدف اصلي اين کتاب کمک به همه افرادي است که ‏‏مي‏‏خواهند درکي از آخرين فناوری پيشرفته باتري را به دست آورند. اين کتاب باتري‏هاي ليتيم-يون را با جزئيات عالي توصيف ‏‏مي‏‏کند تا مشکلاتي را که توليدکنندگان با 20 سال تجربه هنوز با آن درگير هستند را نشان دهد. همچنين تلاش ‏‏مي‏‏کند پتانسيل فوق‏العاده اين فناوری و امکانات آنرا براي کاربران و تازه‏واردان در ‏‏تحقيق‏وتوسعه، نشان دهد. با وجود اين، اين کتاب به اندازه يک مقاله علمي‏‏ در هرکدام از موضوعات بسيار مهم مربوط به باتري ليتيم-يون، عميق نيست. هدف، ارائه يک کتاب مرجع در سطح فني بالا است.

من از همه کساني که به موفقيت اين کتاب کمک کرده‏اند سپاسگزارم. اول و مهمتر از همه، نويسندگان هر يک ار فصل‏ها و همچنين از آقاي وست (Mr. Wuest) از آلفابت‏اند‏مر(Alphabet & more) – و در آخر, در ترتيب و نه اهميت – خانم‏ هاسترمن بايرل (Ms. Hestermann) و خانم کلمار-توني (Ms. Kollmar-thoni) از اسپرينگر ورلاگ (Springer Verlag) تشکر مي‏کنم.

اطلاعات در اين نسخه از باتري‏هاي ليتيم-يون: مباني و کاربردها از منابع داده جاري بازيابي شده‏‏اند.

من اميدوارم که همه خوانندگان باتري‏هاي ليتيم-يون: مباني و کاربردها، اطلاعات مهمی ‏‏را براي کار روزمره خود بدست آورند و خواندن اين کتاب براي آنها لذت بخش باشد.

فرانکفورت، آلمان،می 2017

رينر کورتائر (Reiner Korthauer)