ماسه، نمک، آهن، مس، روغن و لیتیوم – این مواد پایه به معنای واقعی کلمه همان چیزی است که دنیای مدرن بر روی آن ساخته شده است. بدون ماسه برای شیشه، با اینترنت فیبر نوری ما خداحافظی کنید. نداشتن مس به معنای نداشتن سیم کشی رسانا است. و دنیای بدون لیتیوم، دنیای بدون باتری های قابل شارژ است.
برای آخرین قسمت Hitting the Books برای سال ۲۰۲۳، گزیده ای از کتاب فوق العاده را برای شما آورده ایم. دنیای مادی: شش ماده خام که تمدن مدرن را شکل می دهند توسط اد کانوی فینالیست برای Financial Times و Schroders کتاب کسب و کار سال جایزه جهان مادی خوانندگان را با استفاده از ترکیبی استادانه از داستان سرایی روایی و توضیح تکنیکی با چشمان روشن، از تأثیرات لرزه‌ای که این شش ماده بر تمدن بشری در طول تاریخ داشته‌اند، می‌گذراند. در گزیده زیر، کانوی در مورد چگونگی به وجود آمدن فناوری باتری لیتیوم یونی که در حال حاضر به انقلاب EV کمک می کند، بحث می کند.
بسیار سپاسگزاریم که امسال Hitting the Books را خواندید، در ژانویه ۲۰۲۴ پس از CES با بهترین گزیده‌هایی از عناوین جدید و آینده فناوری باز خواهیم گشت!
برگرفته از دنیای مادی: شش ماده خام که تمدن مدرن را شکل می دهند توسط اد کانوی منتشر شده توسط Knopf. حق چاپ © ۲۰۲۳ توسط اد کانوی. تمامی حقوق محفوظ است.
یک باتری بهتر
اولین مهندسی که از لیتیوم در باتری استفاده کرد کسی جز توماس ادیسون نبود. او پس از تسلط بر ساخت بتن با تمرکز دینی بر بهبود دستور العمل و نظام‌مند ساختن تولید آن، سعی کرد همین کار را با باتری‌ها انجام دهد. استفاده از این وسایل برای ذخیره انرژی حتی زمانی که او کار روی آنها را در سپیده دم قرن بیستم آغاز کرد، چندان جدید نبود. در واقع، اولین روزهای عصر برق تقریباً منحصراً از باتری ها تغذیه می شد. قبل از اختراع دینام ها و ژنراتورهایی که بیشتر برق امروزی ما را تولید می کنند، تلگراف ها و اولین چراغ های الکتریکی با باتری های اولیه کار می کردند.
شیمی آنها به الساندرو ولتا، ایتالیایی برمی‌گردد که در آغاز قرن نوزدهم، کشف کرده بود که با چیدن لایه‌هایی از دیسک‌های روی و مس جدا شده توسط مقوای آغشته به آب نمک، می‌تواند جریان الکتریکی از یک الکترود ایجاد کند. در این مورد دیسک های فلزی) به دیگری. انبوه الکترودهای او اولین باتری جهان بود – یک سلول ولتایی – یا همانطور که هنوز گاهی اوقات به آن می گویند، یک شمع (زیرا شمع دقیقا همان چیزی است که بود). این ما را به این سوال خاردار می رساند که این چیزها را چه بنامیم. متخصصان معتقدند که یکی از این واحدها، چه اولین تلاش ولتا باشد و چه چیزی که در گوشی هوشمند خود پیدا می کنید، باید سلول نامیده شود. آنها می گویند باتری کلمه ای است که فقط در مورد آرایه ای از سلول های متعدد استفاده می شود. اما این روزها بیشتر مردم (از جمله این نویسنده) کلمات را به جای هم استفاده می کنند.
نیم قرن بعد، گاستون پلانته، فیزیکدان فرانسوی، اولین باتری قابل شارژ را با استفاده از یک مارپیچ از الکترودهای سربی غرق در اسید، که در یک ظرف شیشه ای قرار داده شده بود، ابداع کرد. باتری‌های سرب اسید، که نسخه‌هایی از آنها هنوز برای راه‌اندازی موتور خودروها استفاده می‌شوند، می‌توانند انفجارهای سریع نیرو را ایجاد کنند، اما چگالی انرژی نسبتاً پایین آنها به این معنی است که در ذخیره‌سازی نیرو به‌ویژه خوب نیستند.
در تلاش برای بهبود شیمی، ادیسون شروع به آزمایش راه خود در جدول تناوبی کرد. سرب و اسید سولفوریک از بین رفت و تعداد زیادی مواد تشکیل دهنده دیگر وارد شد: مس، کبالت و کادمیوم فقط چند مورد از Cs را نام برد. بسیاری از شروع‌های نادرست و یک نبرد بزرگ برای ثبت اختراع در طول راه وجود داشت، اما در نهایت، پس از یک دهه آزمایش، ادیسون بر روی مخلوط پیچیده‌ای از نیکل و آهن فرود آمد، در محلول هیدروکسید پتاسیم غوطه‌ور شد و در بهترین فولاد سوئدی بسته‌بندی شد.
در این آگهی آمده است: «تنها باتری ذخیره‌سازی که در ساختار و عناصر آن آهن و فولاد دارد».
آزمایش‌های ادیسون حداقل بر یک چیز تأکید داشت. در حالی که شیمی باتری دشوار بود، مطمئناً امکان بهبود فرمول سرب-اسید پلانته وجود داشت. به هر حال، همانطور که یک بار ادیسون گفت: “اگر طبیعت قصد داشت از سرب در باتری ها برای تامین انرژی وسایل نقلیه استفاده کند، آن را اینقدر سنگین نمی کرد.” و اگر سرب یک فلز سنگین بود، در مورد سبک ترین فلز – عنصر بهینه برای وارد شدن به باتری – شکی وجود نداشت. آنجا در انتهای مخالف جدول تناوبی، تمام امتداد سرب، درست زیر هیدروژن و هلیوم: لیتیوم بود. ادیسون مقداری از هیدروکسید لیتیوم را به محلول الکترولیت باتری خود اضافه کرد که به آن سلول A می گویند، و در کنار پتاسیم موجود در مایع و الکترودهای نیکل و آهن، نتایج دلگرم کننده ای داشت. لیتیوم ظرفیت باتری را تا ۱۰ درصد افزایش داد – اگرچه هیچ کس نتوانست شیمی موجود در زیر سطح را مشخص کند.
در سال‌های بعد، دانشمندان راه ادیسون را دنبال کردند و سایر مواد شیمیایی باتری، از جمله نیکل-کادمیم و هیدرید نیکل-فلز را توسعه دادند، که پایه و اساس اکثر باتری‌های قابل شارژ مصرفی مانند باتری‌های AA هستند که ممکن است در خانه داشته باشید. با این حال، آنها تلاش کردند تا امیدوارکننده ترین عنصر را در خود بگنجانند. دهه پس از دهه، مقاله علمی پس از مقاله اشاره کرد که باتری نهایی بر اساس شیمی لیتیوم خواهد بود. اما تا دهه ۱۹۷۰ هیچ کس نتوانست این ماده فرار را به اندازه کافی رام کند که بتواند از آن در باتری استفاده کند. باتری ها نوعی سوخت هستند – البته الکتروشیمیایی و نه فسیلی. آنچه در داخل باتری رخ می دهد یک واکنش شیمیایی کنترل شده است، تلاشی برای هدایت انرژی انفجاری موجود در این مواد و تبدیل آن به جریان الکتریکی. و هیچ عنصری به اندازه لیتیوم انفجاری نبود.
اولین پیشرفت در دهه ۱۹۷۰ در اکسون موبیل یا همان طور که در آن زمان شناخته می شد، اسو از همه جا به دست آمد. در مواجهه با شوک قیمت نفت، برای مدتی این غول نفتی یکی از واحدهای باتری با بهترین بودجه را در هر کجا داشت، با کارکنان با استعدادترین شیمیدانان جهان که سعی داشتند آینده شرکت را در دنیایی بدون هیدروکربن ترسیم کنند. در میان آنها یک انگلیسی آرام به نام Stan Whittingham بود. به زودی ویتینگهام یکی از آن لحظات اورکا را داشت که دنیای باتری را برای همیشه تغییر داد.
تا آن زمان، یکی از مشکلات اصلی سازندگان باتری این بود که هر بار که باتری‌های خود را شارژ یا دشارژ می‌کردند، می‌توانست ساختار شیمیایی الکترودهای آنها را به طور غیرقابل برگشتی تغییر دهد. ادیسون سال‌ها تلاش کرده بود تا بر این پدیده غلبه کند که نتیجه عملی آن این بود که باتری‌ها آنقدرها هم دوام نمی‌آورند. ویتینگهام روش غلبه بر این مشکل را بررسی کرد و اتم‌های لیتیوم را از یک الکترود به الکترود دیگر بدون ایجاد آسیب زیادی منتقل کرد.
با این خطر که هر شیمیدان باتری که این مطلب را می‌خواند منقلب شود، در اینجا یک راه مفید برای تجسم این موضوع وجود دارد. باتری ها را به عنوان مجموعه ای از دو آسمان خراش در نظر بگیرید که یکی از آنها یک بلوک اداری و دیگری یک بلوک آپارتمانی است. این برج ها نشان دهنده آند و کاتد – الکترودهای منفی و مثبت هستند. هنگامی که یک تلفن هوشمند شارژی یا باتری ماشین الکتریکی خالی است، معنای آن از نظر الکتروشیمیایی این است که تعداد زیادی اتم لیتیوم در کاتد – در بلوک آپارتمانی – نشسته اند و کار بسیار کمی انجام می دهند.
اما وقتی باتری شارژ می‌شود، آن اتم‌ها (یا همانطور که از نظر فنی به آنها گفته می‌شود، از آنجایی که شارژ، یون‌ها را نگه می‌دارند) به آسمان‌خراش دیگر – آند یا، در این قیاس، بلوک اداری – می‌روند. سر کار می روند. و باتری کاملاً شارژ شده باتری ای است که در آن ساختار آند مملو از این یون های لیتیوم شارژ شده است. هنگامی که از آن باتری استفاده می شود، یون ها به خانه برمی گردند و به بلوک آپارتمانی می روند و جریانی را در طول مسیر تولید می کنند.
این رفت و آمد بین کاتد و آند را درک کنید و به طور کلی نحوه عملکرد باتری های قابل شارژ را درک کنید. این مفهوم – این تصور که یون ها می توانند از ساختار کریستالی یک الکترود عبور کنند تا در ساختار کریستالی الکترود دیگر لانه کنند – موج مغزی ویتینگهام بود. او آن را intercalation نامید و هنوز هم اساس کار باتری‌ها امروزی است. ویتینگهام این تئوری را عملی کرد و اولین باتری لیتیومی قابل شارژ جهان را ساخت. این فقط یک چیز کوچک بود – یک باتری به اندازه سکه که برای استفاده در ساعت طراحی شده است – اما شروعی بود. به ازای هر کیلوگرم وزن (یا بهتر است بگوییم، با توجه به اندازه آن، در هر گرم)، باتری او می تواند تا ۱۵ برابر شارژ الکتریکی یک باتری سرب اسیدی را نگه دارد. اما هر بار که ویتینگهام سعی می‌کرد باتری بزرگ‌تر از یک سلول سکه‌ای کوچک بسازد، در آتش می‌سوخت. در تلاش برای مهار واکنش ذاتی لیتیوم، او آن را با آلومینیوم آلیاژ کرد، اما این برای مهار آن کافی نبود. بنابراین باتری ویتینگهام تا دهه بعد، زمانی که محققانی که در بریتانیا و ژاپن کار می کردند، در نهایت کد را شکستند، چیزی عجیب باقی ماند.
شخصیت کلیدی در اینجا مردی خارق‌العاده به نام جان بی. گودناف، فیزیکدان آمریکایی است که اتفاقاً در شهر ینا، شهر آلمانی که اتو شات و کارل زایس برای اولین بار شیشه‌سازی فنی را تکمیل کردند، به دنیا آمد. گودناف پس از تحصیل در ییل، شیکاگو و موسسه فناوری ماساچوست، سرانجام خود را مسئول آزمایشگاه شیمی معدنی در دانشگاه آکسفورد در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل دهه ۱۹۸۰ یافت، جایی که او نقش اساسی در پیشرفت باتری ایفا کرد. از جمله دستاوردهای تیم او – که امروز در یک پلاک آبی در بیرون آزمایشگاه به یادگار مانده است – کشف دستور العمل بهینه برای کاتد (آسمان خراش آپارتمانی) در یک باتری لیتیوم یونی بود. ماده مورد بحث اکسید لیتیوم کبالت بود، ترکیبی که ایمنی و ظرفیت این باتری ها را بهبود بخشید و ماتریس کاتدی پایداری را برای آنها فراهم کرد که یون های لیتیوم در آن لانه کنند. اینطور نبود که بتوان انفجار باتری را رد کرد، اما حداقل آنها دیگر اجتناب ناپذیر نبودند.
آخرین جهش فکری چند سال بعد در ژاپن اتفاق افتاد، جایی که محققی به نام آکیرا یوشینو سایر مواد را تکمیل کرد. او کاتد اکسید کبالت لیتیوم Goodenough را با یک آند ساخته شده از نوع خاصی از گرافیت – همان تنوع بسیار زیادی که هنوز از کک سوزنی تولید شده در پالایشگاه هامبر ایجاد می کنند – جفت کرد و این ترکیب فوق العاده عمل کرد. یون‌های لیتیوم هنگام شارژ و تخلیه باتری به‌طور ایمن و روان از یک سمت به سمت دیگر جابه‌جا شدند. او همچنین بهترین راه را برای قرار دادن این دو الکترود با هم پیدا کرد: با چسباندن مواد روی صفحات نازک کاغذ و پیچاندن آنها در یک قوطی فلزی که توسط یک غشای نازک از هم جدا شده است. این ضربه اصلی نهایی – که به این معنی بود که اگر باتری شروع به گرم شدن بیش از حد کند، جداکننده ذوب می‌شود و به جلوگیری از هرگونه انفجار کمک می‌کند – همچنین اولین سلول‌هایی را که در فرانسه توسط گاستون پلانته ایجاد شده بود، برانگیخت. باتری قابل شارژ به عنوان یک مارپیچ از فلز فشرده شده در یک قوطی شروع به کار کرد. پس از بیش از یک قرن آزمایش و دگرگونی کامل مواد، کمابیش به همان شکل روی سن آمد.
اما چند سال دیگر طول می‌کشد تا این باتری‌ها به دست مصرف‌کنندگان راه پیدا کنند، و این اتفاق با آزمایشگاه‌های اسو یا آزمایشگاه‌های شیمی آکسفورد فاصله زیادی دارد. شرکت الکترونیک ژاپنی سونی به دنبال باتری بهتری برای تغذیه دوربین‌های فیلم‌برداری خود بود و با طرح‌هایی که توسط Goodenough طراحی و توسط Yoshino تنظیم شده بود، برخورد کرد. با تطبیق این برنامه ها و افزودن شکوفایی های خاص خود، در سال ۱۹۹۲ اولین باتری لیتیوم یون تولیدی را ایجاد کرد: یک بسته برق اختیاری برای برخی از مدل های هندی کم آنها. این بسته‌ها یک سوم کوچک‌تر و سبک‌تر از باتری‌های استاندارد نیکل-فلز هیدرید بودند، اما ظرفیت بیشتری داشتند. در سال‌های بعد، باتری‌های لیتیوم یونی به تدریج در انواع دستگاه‌ها تکثیر شدند، اما تنها با ظهور گوشی‌های هوشمند، اولین تماس واقعی خود را پیدا کردند. این دستگاه‌ها با مدار، نیمه‌هادی‌ها، تراشه‌های مودم و صفحه‌نمایش روشن‌شان، به‌طور باورنکردنی تشنه انرژی هستند و قوی‌ترین باتری‌ها را می‌خواهند. امروزه تقریباً تمام گوشی‌های هوشمند با باتری‌هایی کار می‌کنند که برگرفته از اکتشافات Whittingham، Goodenough و Yoshino هستند. این سه نفر در سال ۲۰۱۹ جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.
اینکه این اختراع – ابتدا در آمریکا نمونه اولیه شد و سپس بیشتر در انگلستان توسعه یافت – فقط در ژاپن تولید انبوه شد، یکی از آن موضوعاتی است که هنوز باعث ناامیدی در دنیای انگلیسی زبان می شود. چرا وقتی بسیاری از پیشرفت‌های فکری در طراحی باتری در اروپا و آمریکا اتفاق افتاد، تولید همیشه تحت سلطه آسیا بود؟ پاسخ کوتاه این بود که ژاپن بازار رو به رشدی برای تولید کالاهای بسیار الکترونیکی – در ابتدا دوربین‌های ویدئویی و واکمن – دارد که به باتری‌های با چگالی بالاتر نیاز دارند.
همانطور که دهه ۱۹۹۰ جای خود را به دهه ۲۰۰۰ داد، باتری‌های لیتیوم یونی جزء ضروری دنیای الکترونیک در لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند و در نهایت خودروهای الکتریکی شدند. تلفن‌های هوشمند بدون تراشه‌های سیلیکونی خارق‌العاده در داخل، انرژی مدار، محل نگهداری واحدهای پردازشی و اعطای حافظه ذخیره‌سازی، بدون ذکر سنسورهای نوری برای دوربین، امکان‌پذیر نبودند. اما هیچ یک از این وسایل بدون باتری های سبک و قدرتمند با چگالی انرژی بسیار بیشتر از نمونه های قبلی خود عملی نبودند.
همه به همین دلیل است که تقاضا برای لیتیوم از توانایی ما برای استخراج آن از زمین پیشی گرفته است. و برخلاف مس یا آهن که ما تجربه قرن ها تولید آن را داریم، صنعت لیتیوم در مراحل اولیه خود باقی مانده است. تا همین اواخر معادن کمی وجود داشت و استخرهای سالار د آتاکاما هنوز نسبتاً کوچک بودند. امروزه آنها به اندازه‌ای بزرگ هستند که به راحتی از فضا قابل مشاهده باشند، یک پالت رنگ پاستلی غول‌پیکر در وسط صحرا به صدا درآمده است.
این مقاله در ابتدا در Engadget در https://www.engadget.com/hitting-the-books-material-world-ed-conway-knopf-153010572.html?src=rss منتشر شد
منبع: https://www.engadget.com/hitting-the-books-material-world-ed-conway-knopf-153010572.html?src=rss