یک باستان شناس آلمانی در سال 1938 یک ظرف سفالی عجیب وغریب را در یک سایت در نزدیکی شهر بغداد در کشور عراق پیدا کرد که مربوط به 2200 سال قبل بود. پس از انجام تحلیل های متعدد روی این شیء غیرعادی، متخصصین دریافتند که این جسم، یک باتری الکتریکی ابتدایی است. آنها بر این باور هستند که این تجهیز احتمالا برای آبکاری طلا روی نقره که در حال حاضر نیز در عراق رایج است، کاربرد داشته است. اولین باتری به شکل مرسوم امروزی توسط یک مخترع ایتالیایی به نام «آلساندرو ولتا» در سال 1800 میلادی رونمایی شد. در این باتری، دو صفحه از جنس مس و روی وجود داشت که در یک محلول آب نمک غوطه ور شده بودند تا فرایند الکترولیز را انجام دهند. این باتری توانایی تولید الکتریسیته محدودی داشت. در سال 1836 «جان فردریک دنیل» انگلیسی تبار، یک باتری با به کارگیری الکترولیت سولفات مس و سولفات روی اختراع کرد که عمر بیشتری نسبت به باتری ولتا داشت. تاریخچه تکنولوژی باتری نشان می دهد که این باتری توانایی تولید حدود 1.1 ولت را داشته است و در گذشته برای تامین توان وسایلی مانند تلگراف ها، تلفن ها و زنگ در خانه ها استفاده می شد و در حدود صد سال نیز به عنوان باتری محبوب در خانه ها کاربرد داشت. امروزه، شناخته شده ترین تکنولوژی باتری، باتری سرب اسید است که در سال 1859 توسط یک مخترع فرانسوی به نام «گاستون پلنت» برای استفاده در خودروها اختراع شد. ضعف بزرگ این باتری ها، تولید گاز هیدروژن و گسترش آتش سوزی به دلیل انفجار این گاز است. در دسامبر سال گذشته، یک مجموعه از باتری ها در نیروگاه گازسوز 160 مگاواتی دون در میلفورد آتش گرفت که بنابر گزارش آتش نشان ها یک بانک 40عددی از باتری های سرب اسید 3.1 ولتی با شعله هایی به ارتفاع حدود 15-20 فوت در حال آتش بوده است. پس از گذشت سال ها، یک فیزیک دان آمریکایی به نام «جان گودایناف» در سال 1980، باتری لیتیومی را اختراع کرد. او برای این کار، از ترکیب لیتیوم با سایر فلزات مانند آهن، منگنز، کبالت و نیکل برای تولید جریان استفاده کرد. با استفاده از این تکنولوژی، چگالی توان باتری بالا افزایش پیدا کرد که این مشخصه سبب شد تا باتری های لیتیومی برای ذخیره سازهای بزرگ الکتریکی مناسب شوند. بعد از حدود یک دهه، قابلیت های بزرگ این باتری فهمیده شد و در سال 1991 شرکت های سونی و آساهیکاسه، برای اولین بار از این باتری ها برای کاربردهای تجاری استفاده کردند.

با وجود رشد چشمگیر باتری های لیتیوم-یون و قابلیت های بالای آنها که نویدبخش دستیابی به اولین روش قابل قبول برای مدیریت تولید سیستم های خورشیدی و بادی در سیستم برق ایالات متحده آمریکاست، این تکنولوژی با یک مشکل جدی و خطرناک به نام آتش سوزی روبه روست. سحرگاه دوم سپتامبر سال گذشته، یک قایق به نام کانسپشن در سانتاباربارای کالیفرنیا آتش گرفت و 34 نفر از 39 خدمه آن، جان خود را از دست دادند. روزنامه لس آنجلس تایمز این واقعه را «بدترین فاجعه دریایی در تاریخ کالیفرنیای مدرن» نامید. در این واقعه متخصصان اعلام کردند که یکی از باتری های لیتیوم-یون موجود در محل، منبع اصلی آتش سوزی بوده است. روزنامه تایمز گزارش داد که «این آتش سوزی، بر خطرهای احتمالی این نوع باتری ها که در حمل ونقل های تجاری ممنوع شده است، تاکید کرد و به موضوعی برای سختگیرانه تر کردن قوانین نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا بدل شد». حوادث دیگری به جز آتش سوزی مذکور نیز رخ داده است. در آوریل سال 2019، یک باتری خانه متشکل از باتری های لیتیوم-یون با ظرفیت دو مگاوات در یک پست برق شرکت خدمات عمومی آریزونا در نزدیکی فونیکس منفجر شد و سبب آسیب دیدن چهار آتش نشان شد. سپتامبر سال گذشته، یک آتش سوزی به کارخانه باتری اینرسیس (سازنده باتری های لیتیوم-یون)، در ریچموند ایالت کنتاکی سرایت کرد. در آن زمان کارخانه اعلام کرد که بر اساس تخمین ها، خسارات چشمگیری به کارخانه وارد شده و بخشی از کسب وکار با اختلال مواجه شده است.

تولید یک باتری با ظرفیت بالا و ارزان از سال های دور چالشی عظیم برای صنعت برق به شمار می آید زیرا راه حل بسیاری از مشکلات شرکت برق، ذخیره محلی الکتریسیته است. با استفاده از باتری، قطعی های ناشی از نبود خورشید یا باد کاهش می یابد، منحنی های بار نرم تر می شود و تقاضای خودروهای برقی نیز تامین می شود. در سال های دور «بحران انرژی»، زمانی که تصور می شد کارتل های عربی توانایی تعیین قیمت نفت خام و مشتقات آن را دارند، انرژی الکتریکی به یک هدف برای رهایی از وابستگی به نفت بدل شد و به دنبال آن ذخیره توان الکتریکی بسیار طرفدار پیدا کرد و این یعنی ظهور باتری ها. در حالی که تکنولوژی های باتری چند قرن یا حتی هزار سال است که ظهور پیدا کرده اند، تولید باتری های کارآمد برای سال های متمادی دست نیافتنی به نظر می رسد زیرا یافتن یک تکنولوژی که ارضاکننده نیازهای صنعت برق مانند چگالی توان بالا باشد، بسیار سخت و دشوار است. همچنین، تمایل به یافتن راه هایی برای کاهش گازهای گلخانه ای، علاقه به ذخیره انرژی را بیش از پیش افزایش داده است. «کلینتون» در سال 1993، یک همکاری مشترک بین سه غول خودروسازی داخلی یعنی جنرال موتورز، فورد و کرایسلر ایجاد کرد تا روی تحقیقات و ارتقای تکنولوژی باتری های خودرو متمرکز شوند که این همکاری کنسرسیوم باتری پیشرفته ایالات متحده آمریکا (USABC) نام گرفت و موسسه تحقیقات توان الکتریکی و بسیاری از شرکت های برقی خصوصی موافقت خود را برای همکاری در این پروژه جذاب، اعلام کردند. این طرح با وجود صرف حدود 190 میلیون دلار برای این فعالیت ها، که به طور مساوی بین بخش خصوصی و وزارت انرژی تقسیم شده بود، با شکست مواجه شد. امیدوارکننده ترین تکنولوژی، باتری های سولفور-سدیم بود که توسط شرکت فورد ارتقا یافته بود. این باتری دارای چگالی و توان بالایی بود و از این نظر بسیار مناسب به نظر می رسید، اما یک نقص بسیار مهلک در این نوع باتری وجود داشت که شعله ورشدن آن به صورت غیرقابل پیش بینی بود. در این زمان که برنامه تحقیقاتی فدرال-صنعت با شکست مواجه شده بود، بخش مهندسی آفریقای جنوبی به همراه یک کارآفرین به نام «ایلان ماسک» در سال 2008، آرایه بزرگی از باتری های جدید لیتیوم-یون تلفن های همراه را در خودروهای مسابقه لوتوس الیت با موتورهای الکتریکی قرار داد. «ایلان ماسک» (بنیان گذار شرکت تسلا) اولین سری از خودروهای الکتریکی را با نام تسلا رودستر روانه بازار کرده است. در همین زمان، کارآفرینان به سرعت به کاربرد این باتری ها برای استفاده در نیروگاه های بادی و خورشیدی در زمانی که خورشید در آسمان وجود ندارد یا باد مناسبی وزیده نمی شود، پی بردند و باتری های لیتیوم-یون برای ذخیره انرژی تولیدشده توسط نیروگاه های انرژی های تجدیدپذیر به کار گرفته شد.

به نظر می رسد که تکنولوژی لیتیوم-یون یک انقلاب در انرژی های تجدیدپذیر ایجاد کرده و کسب وکارهای بسیاری در زمینه اتصال باتری ها به نیروگاه های بادی و خورشیدی ایجاد شده است. پاییز سال گذشته، شرکت تحقیقات انرژی و مشاوره ای وود مکنزی به دنبال بازار ذخیره سازها برای مصارف غیرمسکونی بود و پیش بینی می کرد که قیمت ها تا سال 2024 با کاهش 10برابری مواجه خواهد شد. در سال 2018، مرکز اطلاعاتی انرژی ایالات متحده آمریکا (EIA) گزارش داد که «در انتهای سال 2017، حدود 708 مگاوات از ظرفیت تولید توان معادل 867 مگاوات ساعت توسط انرژی باتری خانه های بزرگ تامین شده است. در حال حاضر، بیش از 80 درصد از باتری خانه های بزرگ در ایالات متحده آمریکا از تکنولوژی باتری های لیتیوم-یون استفاده می کنند». همچنین، این مرکز رشد چشمگیری در این زمینه را پیش بینی کرده است و می گوید «رشد در نصب باتری های صنعتی نتیجه سیاست های ایالتی در زمینه حمایت از ذخیره سازی انرژی و قانون 841 کمیسیون قانون گذاری انرژی فدرال است که به بهره برداران سیستم قدرت اجازه می دهد تا از تمام انرژی، ظرفیت و بازارهای سرویس های فرعی باتری های صنعتی، استفاده کنند. علاوه براین، ترکیب باتری خانه های صنعتی با منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید به طور فزاینده ای در حال رقابت با گزینه های تولید برق سنتی است». کنگره آمریکا در دسامبر سال گذشته با سرمایه گذاری روی ذخیره سازهای انرژی با استفاده از اعتبار مالیاتی پیشنهادی توسط انجمن ذخیره سازی انرژی (ESA)، مخالفت کرد در حالی که این انجمن معتقد بود این کار منجر به پیشرفت های زیادی در این زمینه خواهد شد. «کلی بکمن» رئیس پیشین خدمات دولتی ایالت مریلند می گوید: «این یک موقعیت و فرصت عالی برای کنگره در جهت برطرف کردن چالش های بسیار مهم تغییرات آب وهوا و حمایت از نوآوری های انرژی پاک بود و اعضای تیم او از ادامه تلاش های خود برای تحقق این مهم یعنی سرمایه گذاری روی ذخیره سازها با به کارگیری اعتبار مالیاتی دلسرد نخواهند شد».

آتش یک معضل اساسی برای باتری های لیتیوم-یون به شمار می آید. به دنبال آتش سوزی در پست برق شرکت خدمات عمومی آریزونا، شرکت برق و شرکت فلوئنس دست به تحقیق وسیعی درباره علل این اتفاق زدند. رسانه گرین تک گزارش داد که «بررسی های صورت گرفته در حال تغییر طرز فکر شرکت خدمات عمومی آریزونا درباره باتری های لیتیوم-یون است». این آتش «پروژه های باتری را در آریزونا به تعویق انداخت و موضوع ایمنی را به اولویت اول مذاکرات فروش باتری ها تبدیل کرد». گسترش ذخیره سازهای صنعتی در ابعاد بزرگ در حال کاهش فشار ناشی از انتظارات فراوان در سال جاری است، هرچند دیگر عوامل بازار، جداسازی تاثیر آتش روی انتظارات شرکت ها را بسیار سخت کرده اند. می توان گفت که افزایش دوبرابری نصب ذخیره سازها در ایالات متحده آمریکا در دو سال آینده، به تصمیم صنعت درباره اعتماد یا عدم اعتماد به ایمنی باتری ها (پس از حادثه آریزونا) بستگی دارد. در دسامبر سال گذشته، انجمن ذخیره سازی انرژی «راهنمای ایمنی عملکردی ذخیره سازی انرژی ایالات متحده آمریکا» را منتشر کرد. این راهنما مشخص می کند که «مجموعه ای از ضوابط، استانداردها و راهنماهای دیگر باید برنامه ریزی شود تا خطرات عملکردی احتمالی، کاهش یابد».

اواخر سال گذشته، کنسرسیوم باتری پیشرفته ایالات متحده آمریکا بار دیگر مسئله گذر از تکنولوژی باتری لیتیوم-یون در صنعت اتومبیل را مطرح کرد. اگر این اتفاق موفقیت آمیز باشد، فعالیت های تحقیق و توسعه می تواند تاثیر شگرفی روی ذخیره سازهای صنعتی بگذارد. در حقیقت، این برنامه به دنبال توسعه باتری در مقیاس صنعتی با توجه به حجم بالای استفاده از اتومبیل ها از طریق یک مدل دقیق هزینه ای برای سلول مبتنی بر لیتیوم یا لیتیوم الکترود است. پاییز سال گذشته، محققان در آزمایشگاه فیزیک جان هاپکینز لورل در مریلند گزارش هایی درباره باتری لیتیوم-یون منعطف و برش خورده دادند که آتش نمی گیرد. بر اساس اخباری که در رسانه ها منتشر شد، این آزمایشگاه مدعی بود که باتری های کنونی بسیار مستعد انفجار و ایجاد یک آتش سوزی مهیب هستند ولی در نسل جدید باتری ها که از آب در نمک (WiS) و آب در بازالت (WiBS) به عنوان الکترولیت در یک ماتریس پلیمری استفاده می شود، میزان اسیدیته آب کاهش پیدا می کند و ظرفیت و طول عمر باتری ها افزایش می یابد. علاوه براین، این طراحی، خطر حلال های بسیار فعال، سمی و قابل اشتعال را که در باتری های کنونی وجود دارد، حذف می کند. محققان بر این باور هستند که باتری های نسل جدید جایگزینی بسیار ایمن و قدرتمند برای باتری های موجود در بازار هستند. درحالی که تکنولوژی باتری به سمت مصارف کوچک مثل باتری های تلفن همراه پیش می رود، مصارف بزرگ تر نیز مورد توجه قرار گرفته است که در این مسیر موسسه پلی تکنیک رانسلیر (RPI) در نیویورک روی باتری های لیتیوم-یون مبتنی بر آب کار می کنند. دانشمندان این شرکت بر این باور هستند که کار آنها نشان دهنده ترکیبی از قابلیت شارژ سریع و توانایی در ذخیره سازی مقدار زیادی بار بر هر واحد حجم است. اعضای تیم معتقد بودند «بر سر راه رسیدن به این کارایی و عملکرد همراه با کاهش هزینه و افزایش ایمنی موانع عملی زیادی وجود داشت». درنهایت باید گفت استفاده از باتری برای کاربردهای مختلف مثل خودروی برقی و ذخیره سازهای شبکه با حداکثر میزان انرژی در یک حجم محدود بسیار چالش برانگیز است و نیازمند تلاش و تحقیقات بسیار زیادی است.

POWER, Apr. 2020