بخشی از مقاله
چکیده:
با رشد روز افزون مصرف انرژی در جامعه بشری، ذخیرهسازی انرژی و استفاده از آن به هنگام نیاز، روز به روز افزایش مییابد. این در حالی است که مصرف انرژی در ایران در مقایسه با کشورهای دیگر بسیار بالاست و الگوی مصرف انرژی در ایران شبیه به هیچ کشور دیگری در دنیا نیست.
پتانسیل صرفه جویی انرژی در کشور سالانه 5 میلیارد دلار - یک چهارم فروش نفت - می باشد، لذا مدیریت انرژی در کشورمان اهمیت بسیار بالایی دارد. از طرفی با محدودیت موجود در سوختهای فسیلی و دوره طولانی برای احیا مجدد آن، بشر به دنبال استفاده از گونههای جدید و تجدیدپذیر منابع انرژی از قبیل انرژی خورشیدی، باد، امواج، آبهای جاری و غیره میباشد. اما از آنجا که این گونههای انرژی مداوم در دسترس نیستند، لازم است که در بیشتر آنها در بازهای از زمان انرژی ذخیره شده و در زمان دیگری مصرف گردد. باتری یک منبع تولید انرژی الکتروشیمیایی میباشد که انرژی آزاد شده از یک واکنش شیمیایی را مستقیما به جریان الکتریسیته تبدیل میکند.
در مقایسه با دیگر باتریهای معمول مورد استفاده، باتریهای لیتیومی با چگالی توان بالا، عمر طولانی و دوستدار محیط زیست در آینده نقش مهمی را خواهند داشت و به این طریق کاربردهای وسیعی در مصارف الکترونیکی خواهند داشت. در این مطالعه ابتدا مواد نانو متخلخل را ساختارشناسی کرده و پارامترهای مختلف موثر این مواد روی الکترود باتری لیتیوم-هوا مورد بررسی قرار میگیرد. سپس آنالیزهای متفاوت انجام شده روی آنها جهت پیبردن به ساختار آنها مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در پایان انواع تستهای الکتروشیمیایی انجام شده روی این مواد را مورد بررسی قرار خواهیم داد و بهترین ساختار متخلخل را نیز معرفی خواهیم کرد.
مقدمه:
انرژی یکی از مهمترین نهادههای توسعه و از عوامل اصلی تولید است. تأمین امنیت عرضه انرژی در دنیا از مسائل استراتژیک پیش روی تمامی دولتها میباشد. مدیریت تقاضای انرژی و تلاش در جهت استفاده بهینه از آن در تمامی کشورهای پیشرفته دنیا از مهمترین عوامل پیشرفت صنعتی پایدار بوده است. در کنار محور مدیریت تقاضای انرژی، مدیریت عرضه انرژی - بخشی که در کشور ما کمتر نامی از آن بهمیان میآید - ، نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است.
تولید و مصرف انرژی در جهان به طور شدید وابسته به سوختهای فسیلی است. شکل های 1 و 2 مقایسهای بین کل منابع انرژی اولیه موجود در جهان را بر اساس نوع سوخت از سال 1971تا سال 2012 نشان میدهد. 81/3 درصد از کل انرژی مربوط به منابع تجدیدناپذیر - سوختهای فسیلی مانند نفت، گاز و زغالسنگ - میباشد. منابع انرژی تجدیدپذیر مانند زمینگرمایی، باد و خورشید سهم 1/5 درصدی را دارند.[1] با همین میزان تولید فعلی تخمین زده میشود که منابع نفت، گاز و زغالسنگ به ترتیب تا 40، 62، 224 سال دیگر تمام شوند
از طرفی سوختن سوختهای فسیلی، گازهای مضر مانند دیاکسیدکربن، اکسیدنیتروژن، متان و گازهای فلوئوردار را آزاد میکند. این گازها که ناشی از بخشهای مختلف حملونقل، صنعت، برق، کشاورزی، مجتمعهای مسکونی و تجاری میباشند، علاوه بر آلوده کردن هوا منجر به پدیده گلخانهای و در نتیجه گرم شدن جهانی هوا، تاثیر منفی بر روی اکوسامانه و تهدید بیشتر موجودات زنده میشوند
شکل-1 مقایسه ای بین کل منابع انرژی اولیه موجود در جهان را بر اساس نوع سوخت از سال 1971تا سال 2012
شکل-2 مقایسه ای بین کل منابع انرژی اولیه موجود در جهان را بر اساس نوع سوخت سال 1973 و سال .[1] 2012
امروزه مزیتهایی چون برخورداری از منابع طبیعی جای خود را به بهرهمندی از فنآوری دادهاند، اما بهعلت دارا بودن کشور به منابع متنوع انرژی بهویژه منابع نفت و گاز و اتکاء توسعه کشور، مدیریت جامع انرژی از بُعد تولید و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، نقشی اساسی و تعیینکننده از جهت تحقق اهداف سند چشمانداز خواهد داشت. این کار نقش بسزایی در امکان صادرات فرآوردههای نفتی در صورت صرفهجویی و روی آوردن به منابع تولید و ذخیره انرژی جایگزین پاک و تجدیدپذیر شده و متعاقبا موجب کاهش چشم گیر مشکلات مرتبط با محیط زیست خواهد شد.
با توجه به مشکلات ذکر شده در بالا، منابع تجدیدپذیر مانند خورشید - سلهای فوتوولتاییک برای تولید الکتریسیته - ، باد - توربینهای بادی برای تولید الکتریسیته - ، زمینگرمایی، سوختهای مشتق شده از گیاه - سوخت های زیستی و اتانول - ، هیدروژن - به عنوان سوخت تمیز در خودروها - و انرژی هستهای تنها حدود 30 درصد است و در ضمن پتانسیل رشد بعضی دیگر از این نوع انرژیها به علت جنبههای ایمنی و داشتن رابطه مستقیم با طبیعت - وزش باد و هوای آفتابی - محدود است. حرکت به سمت منابع تجدیدپذیر برای تولید برق - به جای سوزاندن زغالسنگ، گازطبیعی و سوخت - با چالشی به نام ذخیره انرژی مواجه است.
به علت محدودیت مقدار انرژی الکتریکی ذخیره شده در میدان مغناطیسی - سیم پیچ ابر رسانا - 1 و میدان الکتریکی - خازن - ، سامانههای الکتروشیمیایی مانند باتری و ابرخازن مورد توجه قرار گرفتهاند.
باتری یک منبع تولید انرژی الکتروشیمیایی میباشد که انرژی آزاد شده از یک واکنش شیمیایی را مستقیما به جریان الکتریسیته تبدیل میکند. باتریها دو نقش عمده را برای ما ایفا میکنند. اول و مهمتر اینکه به عنوان یک منبع قابلحمل جریان الکتریکی عمل میکنند. نقش دوم که روند رو به رشدی طی سالهای آتی خواهد داشت، استفاده از باتریها به عنوان منبع ذخیرهسازی انرژی از یک منبع خارجی میباشد. به عنوان مثال این نوع باتریها به عنوان منبع انرژی وسایل نقلیه الکتریکی، منبع برق اضطراری، منبع مناسب برای بازههای اوج مصرف برق و منبع متصل به روشهای جدید تولید جریان الکتریکی خواهد بود.
در این میان باتری های قابل شارژ لیتیوم- هوا عملکرد خوب و آینده روشنی را برای دستگاه های ذخیره انرژی قابل حمل نشان می دهند. شکل 3 مقدار انرژی تئوری و عملی برای باتری های قابل شارژ و سوختهای فسیلی و مقایسه بین آنها را به خوبی نشان میدهد.
شکل-3 مقایسه مقدار انرژی تئوری و عملی برای باتریهای قابل شارژ و سوختهای فسیلی.
تئوری:
توسعه فناوری نانو درهای جدید بسیاری را در زمینه علوم مواد و مهندسی گشوده است. این فناوری محققان را برای دستکاری و ساخت مواد در مقیاس نانومتر قادر ساخته و اجازه می دهد تا خواص انواع مواد را بهبود بخشند.
نسبت حجمی فضای خالی ماده ی متخلخل به حجم کل ماده تخلخل2 نامیده می شود.
