Kurte
Bateriyên rewşa hişk (solid-state) cureyekî nû yê bateriyan in ku tê de elektrolîta şil a bateriyên lîtyûm-îyon ên heyî bi elektrolîteke hişk tê guhertin. Ev guhertin dikare du pirsgirêkên sereke yên bateriyên heyî kêm bike: xetereya şewatê ya ji ber elektrolîtên organîk ên şewatbar û sînorê tîrbûna enerjiyê. Ev gotar pêşî avahiya bateriyên Li-ion ên heyî û sînorên wan bi kurtî rave dike. Paşê cureyên sereke yên elektrolîtên hişk, ango sulfîd, oksîd û polîmer, bi taybetmendiyên wan ên avantajdar û dezavantajdar tên berawirdkirin. Beşên din li ser avantajên potansiyel, wek karanîna anoda metala lîtyûmê, û li ser astengiyên teknîkî, wek berxwedana li ser rûyên navberê, mezinbûna dendrîtan û dijwariya hilberîna bi mîqdarên mezin, disekinin. Encam nîşan didin ku bateriyên rewşa hişk teknolojiyeke bi hêvî ne, lê ji bo ku bi awayekî berfireh bikevin bazarê, hîn jî pêwîstî bi lêkolîn û pêşxistina girîng heye.

Peyvên sereke: bateriya rewşa hişk, elektrolîta hişk, lîtyûm, tîrbûna enerjiyê, wesayîtên elektrîkê, depokirina enerjiyê

1. Destpêk

Bateriyên lîtyûm-îyon (Li-ion) di sê dehsalên dawî de bûne bingeha teknolojiya veguhêzbar. Ew di telefon, laptop, amûrên kar û bi taybetî di wesayîtên elektrîkê de tên bikaranîn. Pêşketina wan ewqas girîng bû ku di sala 2019an de Xelata Nobelê ya Kîmyayê ji bo wan hat dayîn. Lêbelê, bateriyên Li-ion ên heyî nêzî sînorên xwe yên teorîk dibin. Ji bo wesayîtên elektrîkê bi rêwîtiyên dirêjtir û ji bo depokirina enerjiya nûbûyî ya bi mîqdarên mezin, pêwîstî bi bateriyên bi tîrbûna enerjiyê ya bilindtir û ewlehiyeke baştir heye (Goodenough & Park, 2013).

Yek ji rêyên herî bi hêvî ji bo vê armancê bateriyên rewşa hişk in. Janek û Zeier (2016) di gotareke di kovara Nature Energy de diyar kirin ku ev teknolojî dikare bibe gava paşîn a girîng di pêşxistina bateriyan de, lê di heman demê de gelek pirsên zanistî yên bingehîn hîn bê bersiv in. Armanca vê gotarê ew e ku bingehên zanistî, avantaj û astengiyên vê teknolojiyê bi awayekî zelal pêşkêş bike.

2. Bateriyên Li-ion ên Heyî û Sînorên Wan

Bateriyeke Li-ion a kevneşopî ji anodeke grafîtê, katodeke oksîda metalî, veqetînerekî poroz û elektrolîteke şil pêk tê. Elektrolît bi gelemperî xwêyeke lîtyûmê ye ku di nav çareserkerên organîk de hatiye helandin. Ev elektrolît dihêle ku îyonên lîtyûmê di navbera elektrodan de bi lez biçin û werin.

Du sînorên sereke yên vê avahiyê hene. Ya yekem ewlehî ye: çareserkerên organîk şewatbar in. Eger baterî zirar bibîne, zêde germ bibe an jî kurte-çerxeke hundirîn çêbibe, dibe ku pêvajoyeke bi navê “revîna germî” (thermal runaway) dest pê bike, ku tê de germahî bi lez zêde dibe û dikare bibe sedema şewatê. Ya duyem tîrbûna enerjiyê ye: anoda grafîtê kapasîteyeke sînordar heye. Anoda ji metala lîtyûmê dikare kapasîteyê bi awayekî girîng zêde bike, lê bi elektrolîtên şil re ewle nîn e, ji ber ku “dendrît”, ango şaxên lîtyûmê yên mîna derziyan, çêdibin û dikarin veqetîner qul bikin (Manthiram û yd., 2017).

3. Prensîba Bateriyên Rewşa Hişk

Di bateriyeke rewşa hişk de, elektrolîta şil bi materyaleke hişk tê guhertin ku dikare îyonên lîtyûmê bi lez veguhezîne. Ev materyal di heman demê de wekî veqetîner jî dixebite. Ji ber ku elektrolîta hişk bi gelemperî ne şewatbar e, xetereya şewatê kêm dibe. Herwiha, hêviya lêkolîneran ew e ku elektrolîta hişk dikare pêşî li derbasbûna dendrîtan bigire û bi vî awayî karanîna anoda metala lîtyûmê mimkûn bike.

Ji bo ku materyalek bikaribe wekî elektrolîteke hişk were bikaranîn, divê çend taybetmendiyên wê hebin: rêgirtina îyonî ya bilind (îyon divê bi lez tê de biçin), rêgirtina elektronî ya pir nizm (elektron divê tê de neçin), îstîqrara kîmyayî li hember elektrodan, û taybetmendiyên mekanîkî yên guncav (Famprikis û yd., 2019).

3.1. Dîroka kurt a elektrolîtên hişk

Ramana elektrolîtên hişk ne nû ye. Di sedsala nozdehan de fîzîknasê Îngilîz Michael Faraday dîtibû ku hin materyalên hişk, wek sulfîda zîv û florîda sirbê (plumb), di germahiyên bilind de elektrîkê digihînin. Di sedsala bîstem de, materyalên wek beta-alumîna hatin keşifkirin ku îyonên sodyûmê bi lez veguhezînin, û ev materyal di bateriyên sodyûm-kibrîtê yên ku di germahiyên bilind de dixebitin de hatin bikaranîn.

Lêbelê, ji bo bateriyên ku di germahiya odeyê de dixebitin, pêwîstî bi materyalên nû hebû. Di salên 1990î û 2000î de lêkolîneran gelek malbatên nû yên materyalan, bi taybetî sulfîd û oksîdên bi lîtyûmê, keşf kirin. Vedîtina LGPS di sala 2011an de nîşan da ku rêgirtina îyonî ya elektrolîteke hişk dikare bigihîje asta elektrolîtên şil, û ev yek bû sedema zêdebûneke mezin a lêkolînan di vê qadê de.

4. Cureyên Elektrolîtên Hişk

4.1. Elektrolîtên sulfîdî

Elektrolîtên sulfîdî hin ji materyalên bi rêgirtina îyonî ya herî bilind in. Di sala 2011an de Kamaya û hevkarên wî materyaleke bi navê Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS) pêşkêş kirin, ku rêgirtina wê ya îyonî di germahiya odeyê de nêzî ya elektrolîtên şil bû (Kamaya û yd., 2011). Avantajeke din a sulfîdan ew e ku ew nerm in û bi hêsanî dikarin werin pêçandin, ku têkiliya baş bi elektrodan re hêsantir dike. Dezavantaja wan ew e ku li hember şiliya hewayê hestiyar in û dikarin gaza hîdrojen sulfîdê (H₂S), ku jehrî ye, berdin; ji ber vê yekê hilberîna wan pêwîstî bi jîngeheke pir hişk heye.

4.2. Elektrolîtên oksîdî

Elektrolîtên oksîdî, wek materyalên bi avahiya garnetê (mînak LLZO, ango lîtyûm-lantanûm-zirkonyûm-oksîd), ji aliyê kîmyayî ve pir îstîqrar in û li hember metala lîtyûmê berxwedêr in. Lêbelê, ew hişk û şikestbar in, û ji bo çêkirina wan germahiyên pir bilind pêwîst in. Têkiliya di navbera elektrolîta oksîdî û elektrodan de jî dijwar e, ji ber ku materyalên hişk bi hêsanî bi hev re têkiliyeke temam çênakin (Famprikis û yd., 2019).

4.3. Elektrolîtên polîmer

Elektrolîtên polîmer, wek yên li ser bingeha polîetîlen oksîdê (PEO), nerm û hêsan tên çêkirin. Ew dikarin bi rêbazên hilberînê yên heyî re hevaheng bin. Lêbelê, rêgirtina wan a îyonî di germahiya odeyê de kêm e; ji ber vê yekê, bi gelemperî pêwîst e ku baterî di germahiyên bilindtir de bixebite. Hin hilberîneran bateriyên polîmer ên bi vî rengî di hin wesayîtên taybet de bi kar anîne.

4.4. Elektrolîtên tevlihev

Ji ber ku her cureyekî avantaj û dezavantajên xwe hene, gelek lêkolîner li ser elektrolîtên tevlihev (composite) dixebitin, ku tê de, mînak, perçeyên seramîk di nav polîmerekê de tên bicihkirin. Armanc ew e ku avantajên her du cureyan bi hev re werin bidestxistin.

5. Avantajên Potansiyel

• Ewlehiya baştir: ji ber ku elektrolîtên hişk bi gelemperî ne şewatbar in, xetereya şewatê kêm dibe.
• Tîrbûna enerjiyê ya bilindtir: eger anoda metala lîtyûmê were bikaranîn, kapasîteya bateriyê dikare bi awayekî girîng zêde bibe. Ji bo wesayîtên elektrîkê, ev tê wateya rêwîtiyên dirêjtir bi heman giraniyê.
• Jiyana dirêjtir: di hin rewşan de, elektrolîtên hişk dikarin reaksiyonên nexwestî yên ku di bateriyên şil de çêdibin kêm bikin.
• Sêwirana hêsantir a pakêtê: ji ber ku pêwîstiya bi pergalên sarkirin û parastinê yên tevlihev dikare kêm bibe, pakêta bateriyê dikare biçûktir û siviktir be.

Divê were gotin ku ev avantaj bi giranî “potansiyel” in. Di ceribandinên laboratûwarê de hin ji wan hatine nîşandan, lê di hilberîna bi mîqdarên mezin de hîn bi temamî nehatine piştrastkirin.

6. Astengiyên Teknîkî

6.1. Rûyên navberê

Pirsgirêka herî girîng têkiliya di navbera elektrolîta hişk û elektrodan de ye. Di bateriyên şil de, elektrolît bi hêsanî dikeve nav hemû qulên elektrodan. Di bateriyên hişk de lê, têkilî tenê li xalên ku materyal li hev dikevin çêdibe. Herwiha, di dema şarjkirin û valakirinê de, elektrod hinekî firehtir û tengtir dibin, ku dikare bibe sedema winda bûna têkiliyê. Ev yek berxwedana hundirîn zêde dike û performansê kêm dike (Janek & Zeier, 2016).

6.2. Dendrît

Her çend hêvî ew bû ku elektrolîtên hişk dê pêşî li dendrîtan bigirin, lêkolînan nîşan dan ku dendrît dikarin di nav hin elektrolîtên hişk de jî, bi taybetî di nav sînorên kristalan de, mezin bibin. Ji ber vê yekê, ev pirsgirêk hîn jî bi temamî çareser nebûye û mijareke lêkolînê ya çalak e.

6.3. Hilberîn û lêçûn

Hilberîna bateriyên rewşa hişk bi mîqdarên mezin dijwar e. Gelek ji materyalan pêwîstî bi şert û mercên taybet hene, wek jîngeheke bê şil an germahiyên pir bilind. Herwiha, hilberîna qatên zirav û yekreng ên elektrolîta hişk ji bo bateriyên mezin hîn jî dijwar e. Ji ber van sedeman, lêçûna hilberînê niha ji ya bateriyên Li-ion ên kevneşopî bilindtir e.

6.4. Performansa di germahiya nizm de

Rêgirtina îyonî ya gelek elektrolîtên hişk di germahiyên nizm de kêm dibe. Ji bo wesayîtên ku li herêmên sar tên bikaranîn, ev dikare bibe pirsgirêkeke girîng.

7. Rewşa Pîşesaziyê û Pêşbînî

Gelek hilberînerên wesayîtan û şirketên bateriyan, li Japon, Koreya Başûr, Çîn, Ewropa û Dewletên Yekbûyî yên Amerîkayê, sermayeyeke mezin di lêkolîna bateriyên rewşa hişk de dikin. Hin ji wan diyar kirine ku armanc dikin di nîvê duyem ê salên 2020î de an jî di destpêka salên 2030î de wesayîtên bi bateriyên rewşa hişk derxînin bazarê. Divê were zanîn ku pêşbîniyên wiha di dîroka teknolojiya bateriyan de gelek caran hatine paşxistin; ji ber vê yekê, ew divê bi hişyarî werin nirxandin.

Di heman demê de, hin şirket li ser bateriyên “nîv-hişk” (semi-solid) dixebitin, ku tê de mîqdareke biçûk a elektrolîta şil an jêlê hîn heye. Ev bateriyên navîn dikarin wekî gaveke derbasbûnê werin dîtin, berî ku bateriyên bi temamî hişk bi awayekî berfireh werin bikaranîn.

8. Nîqaş: Bandora Jîngehî û Çavkaniyan

Ji aliyê jîngehê ve, bateriyên rewşa hişk hem derfet hem jî pirsên nû pêşkêş dikin. Ji aliyekî ve, eger ew jiyana bateriyan dirêj bikin û tîrbûna enerjiyê zêde bikin, dikarin mîqdara materyalên pêwîst ji bo her kîlowat-saetekê kêm bikin. Ji aliyê din ve, karanîna anoda metala lîtyûmê dikare daxwaza ji bo lîtyûmê zêde bike, û hin elektrolît jî materyalên kêm-dîtî yên wek germanyûm an lantanûmê dihewînin. Herwiha, rêbazên vezîvirandina (recycling) van bateriyên nû hîn di qonaxên destpêkê de ne. Ji ber vê yekê, nirxandina jîngehî ya tevahî ya vê teknolojiyê hîn jî pêwîst e.

9. Encam

Bateriyên rewşa hişk yek ji rêyên herî bi hêvî ne ji bo baştirkirina ewlehî û tîrbûna enerjiyê ya bateriyan. Cureyên sereke yên elektrolîtên hişk, ango sulfîd, oksîd û polîmer, her yek avantaj û dezavantajên xwe hene. Astengiyên girîng ên wek têkiliya li rûyên navberê, mezinbûna dendrîtan, dijwariya hilberînê û lêçûn hîn jî hene. Ji ber vê yekê, her çend gelek şirket armancên ambîsyoz ragihandibin jî, ji bo ku ev teknolojî bi awayekî berfireh cihê bateriyên Li-ion ên heyî bigire, pêwîstî bi lêkolîn û pêşxistina domdar heye. Di salên pêş de, dibe ku bateriyên rewşa hişk pêşî di hin sepanên taybet de werin bikaranîn, berî ku bibin standard.

Çavkanî

• Famprikis, T., Canepa, P., Dawson, J. A., Islam, M. S., & Masquelier, C. (2019). Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries. Nature Materials, 18(12), 1278–1291.
• Goodenough, J. B., & Park, K.-S. (2013). The Li-ion rechargeable battery: A perspective. Journal of the American Chemical Society, 135(4), 1167–1176.
• Janek, J., & Zeier, W. G. (2016). A solid future for battery development. Nature Energy, 1, 16141.
• Kamaya, N., Homma, K., Yamakawa, Y., Hirayama, M., Kanno, R., Yonemura, M., Kamiyama, T., Kato, Y., Hama, S., Kawamoto, K., & Mitsui, A. (2011). A lithium superionic conductor. Nature Materials, 10(9), 682–686.
• Manthiram, A., Yu, X., & Wang, S. (2017). Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes. Nature Reviews Materials, 2, 16103.