اختصاصی بسپار/ نقش پلیمرها در فناوری‌های انباشت انرژی و توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر

بسپار/ایران پلیمر در دهه‌های اخیر، جهان با چالش‌های زیست‌محیطی بسیاری روبه‌رو شده است که از آن جمله می‌توان به تغییرات اقلیمی، آلودگی هوا و کاهش منابع سوخت‌های فسیلی اشاره کرد. این بحران‌ها، سیاست‌گذاران، صنعتگران و پژوهشگران را به سوی بهره‌گیری از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی زمین‌گرمایی و انرژی زیست‌توده برده است.
با این حال، یکی از مشکلات بهره‌برداری پایدار و گسترده از این منابع، مسئله انباشت انرژی است. به‌عبارت دیگر، چون منابع تجدیدپذیر اغلب دارای نوسان زمانی هستند (برای نمونه، تابش خورشید در شب وجود ندارد یا سرعت باد همواره ثابت نیست)، نیاز به سامانه‌هایی برای ذخیره‌سازی انرژی در زمان تولید و مصرف آن در زمان نیاز، بیش از پیش احساس می‌شود.

انباشت انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی (Energy Storage) به فرآیندی اطلاق می‌شود که طی آن انرژی در یک سامانه ذخیره و در زمان مناسب بازیابی می‌شود. این فناوری نقش محوری در پایداری شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر و کارآمدی سامانه‌های تولیدی دارد.
در این میان مواد پلیمیری جایگاهی کلیدی در طراحی و توسعه سامانه‌های نوین انباشت انرژی پیدا کرده‌اند. پلیمرها در اجزای مختلف سامانه‌های انباشت انرژی، از جمله الکترولیت‌ها، الکترودها، غشاهای جداساز و لایه‌های پوششی به کار می‌روند. همچنین در حوزه‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی آلی (Organic Photovoltaics)، پیل‌های سوختی غشای پلیمری (PEM Fuel Cells)و مواد تغییر فازدهنده (PCM) نیز پلیمرها نقش‌های متنوع و فناورانه‌ای ایفا می‌کنند. این تنوع کاربرد سبب شده است تا پلیمرها نه‌تنها به‌عنوان مصالح سازنده، بلکه به‌عنوان راه‌حل‌های مهندسی برای چالش‌های کلان انباشت انرژی در نظر گرفته شوند.

انباشت انرژی:
انباشت انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی (Energy Storage) به فرآیند جذب انرژی در یک زمان خاص (معمولاً هنگام تولید اضافی یا کم‌تقاضا) و رهاسازی آن در زمان دیگری که تقاضا بیشتر است یا تولید کاهش یافته، اطلاق می‌شود. این فناوری یکی از ارکان اصلی در پایداری شبکه‌های برق نوین به‌ویژه در ارتباط با منابع تجدیدپذیر نظیر خورشید و باد به‌شمار می‌رود که از نظر شدت و پیوستگی، دارای نوسان ذاتی‌اند.
انباشت انرژی، در واقع، پلی میان تولید و مصرف انرژی است و بدون آن بسیاری از ظرفیت‌های انرژی‌های تجدیدپذیر، به دلیل ناپایداری زمانی، به‌درستی قابل استفاده نخواهند بود.

دسته‌بندی فناوری‌های انباشت انرژی
فناوری‌های انباشت انرژی بسته به نوع فرآیند فیزیکی یا شیمیایی به‌کار گرفته‌شده، به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
الف) انباشت الکتروشیمیایی (Electrochemical Storage)
باتری‌ها (مانند باتری لیتیوم یون، باتری سدیم گوگرد، باتری سرب اسید)
ابرخازن‌ها(Supercapacitors) که انرژی را در لایه‌های الکتریکی ذخیره می‌کنند. دارای چگالی انرژی بالا و قابل استفاده در وسایل نقلیه برقی، سامانه‌های خانگی و نیروگاه‌های کوچک هستند.
ب) انباشت مکانیکی (Mechanical Storage)
نیروگاه‌های تلمبه‌ای آبی: (Pumped Hydro Storage) استفاده از اختلاف ارتفاع برای ذخیره‌سازی
چرخ طیار /چرخ لنگر : (Flywheel) ذخیره انرژی جنبشی در چرخاننده‌های سنگین
فشرده‌سازی هوای متراکم :(CAES) ذخیره انرژی به صورت هوای فشرده در مخازن زیرزمینی
ج) انباشت انرژی حرارتی (Thermal Energy Storage)
استفاده از مواد تغییر فازدهنده (PCM) یا مخازن گرمایی برای ذخیره انرژی گرمایی که در سامانه‌های گرمایشی، صفحات خورشیدی و ساختمان‌های هوشمند کاربرد دارد.
د) انباشت الکترومغناطیسی (Electromagnetic Storage)
ابررساناهای ذخیره‌ساز انرژی مغناطیسی: (SMES) ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌های ابررسانا که محدود به سامانه‌های خاص و بسیار پرهزینه است.
می‌دانیم که منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی، دارای دو ویژگی عمده‌اند:
نوسان‌پذیری: شدت تولید انرژی در طول روز یا فصول سال تغییر می‌کند.
غیرقابل پیش‌بینی بودن نسبی: به دلیل وابستگی به شرایط جوی، توان تولید آن‌ها قابل پیش‌بینی صددرصدی نیست.
در چنین شرایطی، انباشت انرژی به‌عنوان راهکاری برای افزایش پایداری شبکه، تأمین بار پایه در زمان کاهش تولید، بهبود کیفیت برق‌رسانی و کاهش هزینه‌های پشتیبان‌گیری (Backup)عمل می‌کند.
نقش پلیمرها در سامانه‌های انباشت انرژی
حضور پلیمرها در این حوزه، پاسخی مستقیم به نیاز روزافزون برای موادی است که بتوانند عملکردی قابل‌اعتماد، پایدار و هماهنگ با الزامات سامانه‌های پیشرفته انباشت انرژی فراهم کنند.

 باتری‌های الکتروشیمیایی – از الکترولیت‌ها تا جداسازهای پلیمری

در باتری‌های لیتیوم یون که رایج‌ترین فناوری ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی در جهان امروزند، پلیمرها در چند بخش اساسی ایفای نقش می‌کنند.
الف) الکترولیت‌های پلیمری
یکی از مهم‌ترین روندهای کنونی در مهندسی باتری، گذار از الکترولیت‌های مایع (که معمولاً بر پایه کربنات‌های آلی و بسیار آتش‌گیرند) به‌سوی الکترولیت‌های پلیمری جامد است. این پلیمرها نقش واسطه برای انتقال یون‌های لیتیوم از آند به کاتد را ایفا می‌کنند و در عین حال، خطرات نشت و انفجار را به حداقل می‌رسانند.
پلی‌اتیلن‌اکساید (PEO)که از اولین پلیمرهای مورد استفاده در الکترولیت‌های جامد است. با ترکیب آن با نمک‌های لیتیوم مانند LiTFSI، شبکه‌ای با هدایت یونی مناسب ایجاد می‌شود. با این حال،رسانایی آن در دمای اتاق محدود است و نیاز به اصلاح دارد. یا پلی‌کربنات‌هایی با شاخه‌های جانبی مشخص که می‌تواند رسانایی یونی را به‌شکل چشمگیری افزایش دهد و پایداری الکتروشیمیایی تا ۴.۵ ولت فراهم کند.
شرکت Solid Power و QuantumScape از الکترولیت‌های پلیمری یا هیبریدی در نسل جدید باتری‌های حالت‌جامد استفاده می‌کنند. این شرکت‌ها باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا و ایمنی بهبود‌یافته برای خودروهای برقی توسعه داده‌اند.
ب)جداسازهای پلیمری (Separators)
جداسازها نقش حیاتی در جلوگیری از اتصال مستقیم آند و کاتد دارند و در اکثر باتری‌های لیتیوم-یون امروزی، از فیلم‌های نازک پلیمری ساخته می‌شوند.
فیلم های متخلخل پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌اتیلن (PE) با ساختار میکرو که اجازه عبور یون‌ها را می‌دهند ولی از اتصال الکترودها جلوگیری می‌کند. ویژگی حرارتی آن‌ها نقش مهمی در جلوگیری از فرار حرارتی (thermal runaway) دارد. یا استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری که اخیرا پژوهش‌های انجام شده بر استفاده از الیاف نانومتری بر پایه پلی‌آمید یا پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) نشان داد که پایداری حرارتی، مکانیکی و الکتروشیمیایی را افزایش می‌دهند.
Celgard®، یکی از شرکت‌های پیشگام در تولید فیلم‌های جداساز برای باتری‌های لیتیوم-یون، از PP و PE در ساخت جداسازهای با ضخامت کمتر از ۲۵ میکرون بهره می‌برد.
ج)الکترودهای پلیمری
پلیمرهای رسانا دسته‌ای خاص از پلیمرها هستند که برخلاف اغلب پلیمرهای عایق، قادر به انتقال بار الکتریکی می‌باشند. این پلیمرها می‌توانند در ساخت الکترود باتری‌ها و ابرخازن‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
پلی‌آنیلین (PANI)، پلی‌پیرول (PPy) و … این پلیمرها می‌توانند به‌تنهایی یا در ترکیب با نانوذرات (مانند گرافن یا نانولوله‌های کربنی) به‌عنوان لایه‌های ذخیره‌کننده بار به‌کار روند. آن‌ها ضمن ایجاد ظرفیت اضافی، چگالی جریان بالا و انعطاف‌پذیری مکانیکی را نیز فراهم می‌کنند.
باتری‌های قابل انعطاف که نیازمند الکترودهای نرم، سبک و قابل خم شدن‌اند، از این پلیمرها در ساختار خود بهره می‌گیرند. شرکت‌هایی نظیر Zhen-Ding Tech در تایوان در حال توسعه این فناوری‌ها هستند.
د)بسترهای نگهدارنده در باتری‌های حالت‌جامد

(ادامه دارد …)

مهندس گلرخ فرد ذوالفقاری، دانشجوی دکتری مهندسی پلیمر

متن کامل این مقاله را در شماره 272 ماهنامه بسپار که در نیمه خرداد ماه 1404 منتشر شده است، می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است