انرژی ویژه چیست؟

انرژی ویژه مقدار انرژی ذخیره شده در واحد جرم یک ماده یا سیستم را اندازه گیری می کند. این متریک که بر حسب ژول بر کیلوگرم (J/kg) یا وات ساعت در هر کیلوگرم (Wh/kg) بیان می‌شود، میزان انرژی قابل استفاده یک جرم معین را تعیین می‌کند و آن را برای مقایسه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی و درک قابلیت‌های مواد ضروری می‌کند.

انرژی خاص اساساً با چگالی انرژی متفاوت است، اگرچه اصطلاحات اغلب اشتباه می شوند. در حالی که چگالی انرژی انرژی را در واحد حجم (Wh/L) اندازه گیری می کند، انرژی ویژه منحصراً بر جرم متمرکز است. این تمایز در برنامه‌هایی که محدودیت‌های وزنی تصمیم‌گیری‌های طراحی-از فضاپیما گرفته تا وسایل الکترونیکی قابل حمل تا وسایل نقلیه الکتریکی را هدایت می‌کنند، اهمیت زیادی دارد.

فیزیک پشت انرژی خاص شامل رابطه بین انرژی ذخیره شده و جرم مورد نیاز برای مهار آن است. در باتری ها، انرژی حاصل از واکنش های شیمیایی تقسیم بر جرم کل الکترودها، الکترولیت ها، جداکننده ها و پوشش است. برای سوخت، گرمای آزاد شده در طی احتراق را نسبت به جرم سوخت نشان می دهد.

Specific Energy

باتری‌های لیتیوم{0}} نشان می‌دهند که چرا انرژی خاص در فناوری مدرن اهمیت دارد. سلول‌های یونی لیتیوم{2}} کنونی انرژی‌های خاصی را بین 250-270 Wh/kg به دست می‌آورند که تلفن‌های هوشمند را قادر می‌سازد ساعت‌ها کار کنند و وسایل نقلیه الکتریکی صدها مایل را طی کنند. در مقایسه، باتری‌های اسید سرب سنتی تنها 30 تا 50 وات ساعت بر کیلوگرم تولید می‌کنند، که توضیح می‌دهد که چرا با وجود هزینه کمتر، تا حد زیادی در کاربردهای قابل حمل جایگزین شده‌اند.

نوآوری های اخیر این مرزها را بیشتر می کند. باتری‌های حالت جامد در حال توسعه نوید انرژی‌های ویژه بیش از 350 Wh/kg را می‌دهند، در حالی که سیستم‌های پیشرفته لیتیوم{3}}فلزی از شرکت‌هایی مانند Amprius 400 Wh/kg را در کاربردهای تخصصی هوانوردی نشان داده‌اند. این پیشرفت‌ها مستقیماً به زمان کار طولانی‌تر دستگاه یا برد طولانی‌تر وسیله نقلیه بدون اضافه کردن وزن تبدیل می‌شوند.

انرژی ویژه باتری ها به عوامل مختلفی بستگی دارد: مواد الکترود، شیمی سلول و کارایی طراحی. کاتدهای غنی از نیکل، ذخیره انرژی را افزایش می‌دهند، اما چالش‌هایی برای پایداری ایجاد می‌کنند. آندهای سیلیکونی ظرفیت بالاتری نسبت به گرافیت سنتی دارند، اما در طول شارژ شدن، افزایش حجم را تجربه می‌کنند. هر انتخاب طراحی نشان دهنده یک مبادله بین انرژی خاص و سایر ویژگی های عملکرد مانند عمر چرخه، ایمنی و هزینه است.

سوخت های فسیلی نسبت به باتری ها انرژی های ویژه بیشتری را حفظ می کنند. بنزین تقریباً 12700 وات ساعت بر کیلوگرم (46 مگا ژول بر کیلوگرم) دارد، در حالی که گازوئیل به 13000 وات ساعت بر کیلوگرم می رسد. این توضیح می‌دهد که چرا، علی‌رغم چندین دهه پیشرفت باتری، سوخت‌های مایع همچنان در حمل‌ونقل هوایی و مسافت‌های طولانی، جایی که وزن اهمیت حیاتی دارد، همچنان غالب هستند.

هیدروژن یک مورد جالب با انرژی ویژه 33300 Wh/kg-تقریباً سه برابر بنزین ارائه می‌کند. با این حال، چگالی بسیار کم آن نیازمند فشرده‌سازی فشار بالا یا خنک‌سازی برودتی است و جرم سیستم را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. گاز طبیعی به طور مشابه انرژی ویژه بالایی در واحد جرم دارد اما به سیستم های ذخیره سازی سنگین نیاز دارد.

در تغذیه، انرژی خاص، چگالی کالری را تعیین می کند. چربی ها تقریباً 38 کیلوژول بر گرم (9 کالری در گرم) تولید می کنند که بیش از دو برابر پروتئین ها و کربوهیدرات ها در 16{6}}17 کیلوژول در گرم (هر کدام 4 کالری در گرم) است. این توضیح می دهد که چرا غذاهای پرچرب حاوی کالری بیشتری در هر گرم هستند - انرژی ویژه درشت مغذی بر محاسبه غالب است.

محتوای آب به طور چشمگیری بر انرژی ویژه غذا تأثیر می گذارد زیرا آب بدون کمک به انرژی، جرم اضافه می کند. سبزیجات تازه ممکن است فقط 0.5 - 1 کیلوژول در گرم داشته باشند، در حالی که آجیل خشک بیش از 25 کیلوژول در گرم باشد، علیرغم اینکه هر دو غذای گیاهی هستند.

طراحی خودروی الکتریکی حول محدودیت های انرژی خاص می چرخد. یک بسته باتری 75 کیلووات ساعتی که از سلول‌هایی با 250 وات ساعت بر کیلوگرم استفاده می‌کند، 300 کیلوگرم وزن دارد که تقریباً 15 تا 20 درصد وزن خودرو را نشان می‌دهد. افزایش انرژی ویژه باتری به 350 وات ساعت بر کیلوگرم این مقدار را به 214 کیلوگرم کاهش می دهد و 86 کیلوگرم را برای ظرفیت مسافر یا برد طولانی آزاد می کند.

این کاهش وزن از طریق طراحی وسیله نقلیه صورت می گیرد. وسایل نقلیه سبک تر به انرژی کمتری برای شتاب و تپه نوردی، موتورهای کوچکتر و سیستم های تعلیق کمتر قوی نیاز دارند. صنعت خودرو انرژی‌های ویژه باتری 400-500 Wh/kg را هدف قرار می‌دهد تا وزن خودروهای برقی را با خودروهای بنزینی که فقط 50 تا 60 کیلوگرم سوخت برای برد مشابه حمل می‌کنند، رقابت کنند.

هواپیماها و فضاپیماها حتی با نیازهای انرژی ویژه سخت تری مواجه هستند. هر کیلوگرمی که به مدار منتقل می‌شود هزاران دلار هزینه سوخت دارد و باتری‌های با انرژی ویژه برای ماهواره‌ها و فضاپیماها ضروری است. مریخ نوردهای ناسا از سلول های لیتیوم{2} یونی استفاده می کنند که به طور خاص برای ترکیب انرژی خاص و قابلیت اطمینان آنها در دماهای شدید انتخاب شده اند.

توسعه هوانوردی الکتریکی به پیشرفت باتری بستگی دارد. فن‌آوری یون لیتیوم{1}}پهپادهای کوچک و وسایل نقلیه حرکت هوایی شهری با برد کوتاه را قادر می‌سازد، اما هواپیماهای منطقه‌ای برای دوام به انرژی‌های خاصی بیش از 500 وات ساعت بر کیلوگرم نیاز دارند. شرکت‌هایی که هواپیماهای الکتریکی را دنبال می‌کنند، توسعه باتری‌ها را از نزدیک رصد می‌کنند، زیرا حتی پیشرفت‌های کوچک انرژی خاص طراحی‌های جدید هواپیما را باز می‌کنند.

سازندگان گوشی های هوشمند انرژی خاص را در برابر عوامل دیگری مانند سرعت شارژ و ایمنی متعادل می کنند. تلفن‌های مدرن از سلول‌هایی در حدود 250-270 Wh/kg استفاده می‌کنند که کارکرد تمام-روز را در دستگاه‌هایی با وزن 150-200 گرم ممکن می‌سازد. افزایش انرژی ویژه عمر باتری طولانی‌تر یا طراحی‌های نازک‌تر و سبک‌تر را امکان‌پذیر می‌کند - هر دو مورد ارزش مصرف‌کنندگان هستند.

باتری های لپ تاپ با محدودیت های مشابه اما با اولویت های متفاوت روبرو هستند. باتری لپ‌تاپ معمولی 300 تا 400 گرم وزن دارد و 50 تا 100 وات ساعت را ذخیره می‌کند و از سلول‌هایی با انرژی ویژه مشابه تلفن‌ها استفاده می‌کند، اما برای نرخ‌های تخلیه و ویژگی‌های حرارتی مختلف بهینه شده است.

انرژی ویژه و توان ویژه ابعاد عملکرد متمایز را نشان می دهد. توان ویژه (W/kg) سرعتی را که یک سیستم می‌تواند انرژی تحویل دهد را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که انرژی خاص میزان کل انرژی را که ذخیره می‌کند اندازه‌گیری می‌کند. باتری هایی که برای انرژی ویژه بالا بهینه شده اند، معمولاً قدرت خاصی را قربانی می کنند و بالعکس.

باتری های لیتیوم آهن فسفات (LFP) این مبادله را نشان می دهند. آنها انرژی ویژه کمتری (120-160 Wh/kg) نسبت به جایگزین‌های غنی از نیکل- ارائه می‌دهند، اما توان ویژه بالاتر و عمر چرخه بهتری را ارائه می‌دهند. ابزارهای برقی از سلول‌های پرقدرت استفاده می‌کنند، حتی اگر زمان اجرا کمتری داشته باشند، زیرا ارائه جریان کافی برای کارکرد موتور بر ظرفیت کل اولویت دارد.

نمودار راگون این رابطه را به صورت گرافیکی نشان می دهد و انرژی خاص را در یک محور و قدرت خاص را در محور دیگر نشان می دهد. شیمی باتری های مختلف مناطق مختلفی را اشغال می کنند و نشان می دهد که هیچ فناوری واحدی در هر دو برتری ندارد. برنامه‌ها باید باتری‌هایی را انتخاب کنند که مطابق با نیازهایشان باشد-انرژی بالا برای مدت طولانی، توان بالا برای انفجارهای کوتاه، یا طرح‌های سازش‌آمیز برای استفاده مختلط.

انرژی ویژه تنها یک معیار عملکرد را نشان می دهد. باتری با انرژی ویژه استثنایی ممکن است از عمر چرخه ضعیف، نگرانی های ایمنی، هزینه بالا یا محدوده دمایی محدود رنج ببرد. باتری‌های لیتیوم{2}}سولفور انرژی ویژه نظری بالایی دارند (650 Wh/kg) اما با چالش‌هایی با انحلال گوگرد و عمر چرخه کم مواجه هستند که از تجاری‌سازی جلوگیری می‌کند.

فرآیندهای تولید بر انرژی خاص عملی تأثیر می گذارد. انرژی ویژه سلول-به دلیل جرم اضافه شده از مدارهای محافظ، سیستم های خنک کننده و عناصر ساختاری از مقادیر بسته- فراتر می رود. سلولی که به 270 Wh/kg می‌رسد ممکن است تنها 180-200 Wh/kg را در سطح بسته تولید کند که یک تمایز بسیار مهم برای طراحان سیستم است.

دما به طور قابل توجهی بر تحویل انرژی خاص تأثیر می گذارد. شرایط سرد ظرفیت باتری را کاهش می دهد و به طور موثر انرژی ویژه را در هنگام تخلیه کاهش می دهد. خودروهای برقی در زمستان کاهش برد را تجربه می‌کنند تا حدی به این دلیل که باتری‌ها نمی‌توانند انرژی خاص خود را در دماهای پایین تحویل دهند.

Specific Energy

تحقیقات بهبودهای انرژی خاص را از طریق رویکردهای متعدد دنبال می کند. مواد کاتدی پیشرفته مانند لیتیوم-نیکل-منگنز{3}}کبالت{4}}اکسید (NMC) با محتوای نیکل بالا، ذخیره انرژی در الکترود مثبت را افزایش می‌دهند. آندهای مبتنی بر سیلیکون{6}}لیتیوم بیشتری نسبت به گرافیت ذخیره می‌کنند و ظرفیت را افزایش می‌دهند. هر پیشرفتی انرژی خاصی را بالاتر می برد در حالی که محققان برای غلبه بر چالش های مرتبط کار می کنند.

الکترولیت‌های حالت جامد با فعال کردن آندهای فلزی لیتیوم، که انرژی ویژه بسیار بالاتری نسبت به گرافیت ارائه می‌کنند، دستاوردهای قابل‌توجهی را وعده می‌دهند. شرکت‌هایی از جمله QuantumScape، Solid Power، و سامسونگ تجاری‌سازی را دنبال می‌کنند و انرژی‌های 400-500 Wh/kg را هدف قرار می‌دهند. موفقیت خودروهای الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی را متحول خواهد کرد.

باتری‌های لیتیوم-هوا یک امکان طولانی‌مدت- با انرژی ویژه نظری نزدیک به 11140 وات ساعت بر کیلوگرم- قابل مقایسه با بنزین است. با این حال، موانع فنی متعدد از جمله پایداری الکترولیت، حساسیت به دی اکسید کربن و عمر چرخه محدود، آنها را محدود به آزمایشگاه‌ها نگه می‌دارد. باتری‌های لیتیوم{7}}هوای عملی سال‌ها یا دهه‌ها باقی مانده‌اند.

برای درکباتری های لیتیومی چیستو چرا آنها بر ذخیره انرژی مدرن تسلط دارند، انرژی خاص پاسخ کلیدی را ارائه می دهد. توسعه فناوری یون لیتیوم در دهه 1990 انرژی ویژه باتری را از 120 وات ساعت بر کیلوگرم در سلول‌های اولیه سونی به بیش از 270 وات ساعت بر کیلوگرم در طرح‌های فعلی افزایش داد{5}}در سه دهه بیش از دو برابر شد.

انواع مختلف باتری‌های لیتیومی سطوح انرژی خاص متفاوتی را بر اساس ترکیب شیمیایی خود نشان می‌دهند. سلول‌های اکسید کبالت لیتیوم (LCO) مورد استفاده در تلفن‌ها به بالاترین انرژی خاص اما با چرخه محدود عمر و نگرانی‌های ایمنی دست می‌یابند. فسفات آهن لیتیوم (LFP) انرژی خاصی را برای ایمنی و طول عمر معامله می کند، و باعث می شود با وجود انرژی ویژه کمتر، برای اتوبوس های برقی و ذخیره سازی ثابت ترجیح داده شود.

فشار برای انرژی ویژه بالاتر، تحقیقات مواد را هدایت می کند. مواد کاتدی بیشتر وزن سلول را تشکیل می دهند، بنابراین توسعه کاتدهای سبک تر و انرژی بیشتر{1} به طور مستقیم انرژی ویژه را بهبود می بخشد. کاهش مواد غیرفعال-کلکتورهای فعلی، جداکننده‌ها، بسته‌بندی-همچنین با کاهش جرم بدون کاهش انرژی ذخیره شده کمک می‌کند.

وسایل نقلیه الکتریکی مدرن به شدت به قابلیت های انرژی ویژه باتری لیتیومی متکی هستند. یک بسته باتری EV معمولی 50-100 کیلووات ساعت را با استفاده از سلول هایی با انرژی ویژه 250-270 Wh/kg ذخیره می کند. این امکان برد 200 تا 400 مایل را فراهم می کند و وزن باتری را قابل کنترل نگه می دارد. با افزایش انرژی ویژه به سمت 350-400 Wh/kg، یا برد به طور متناسب افزایش می یابد یا وزن باتری کاهش می یابد و راندمان خودرو بهبود می یابد.

لوازم الکترونیکی مصرفی به طور مشابه به انرژی ویژه باتری لیتیومی بستگی دارد. تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و پوشیدنی‌ها به‌طور خاص از سلول‌های لیتیوم-یون یا لیتیوم- پلیمری استفاده می‌کنند زیرا انرژی ویژه بالای آن‌ها باعث می‌شود زمان اجرا کافی در دستگاه‌های فشرده و سبک وزن داشته باشد. بدون مزایای انرژی خاص فناوری لیتیوم، محاسبات مدرن سیار غیرممکن خواهد بود.

انرژی ویژه انرژی را در واحد جرم (Wh/kg) اندازه می‌گیرد، در حالی که چگالی انرژی انرژی در واحد حجم (Wh/L) را اندازه‌گیری می‌کند. برنامه‌هایی که وزن آنها بیشتر اهمیت دارد-مانند هواپیما یا کوله‌پشتی{2}}انرژی خاصی را در اولویت قرار می‌دهند. برنامه‌هایی که در آنها فضا محدود است-مانند لوازم الکترونیکی مصرفی در محفظه‌های ثابت-اغلب به جای آن چگالی انرژی را در اولویت قرار می‌دهند.

در میان باتری‌های تجاری، سلول‌های لیتیوم-پیشرفته با کاتدهای غنی از نیکل در حال حاضر بالاترین انرژی ویژه را در 250-300 Wh/kg دارند. باتری‌های لیتیوم جامد آزمایشی 400-500 Wh/kg در شرایط آزمایشگاهی نشان داده‌اند. باتری‌های لیتیوم هوا از نظر تئوری به 11140 وات ساعت بر کیلوگرم می‌رسند، اما از کاربرد عملی فاصله زیادی دارند.

بنزین انرژی را در پیوندهای شیمیایی آزاد شده در طی احتراق با اکسیژن اتمسفر ذخیره می کند. از آنجایی که اکسیژن در جرم بنزین محاسبه نمی شود، انرژی ویژه آن بسیار بیشتر به نظر می رسد (12700 Wh/kg). باتری ها باید هم سوخت و هم اکسید کننده داشته باشند و انرژی ویژه آنها را محدود کند. این تفاوت اساسی توضیح می دهد که چرا باتری ها برای مطابقت با چگالی انرژی سوخت فسیلی تلاش می کنند.

نه لزوما. انرژی ویژه تنها یک بعد عملکرد را نشان می دهد. باتری هایی با انرژی ویژه بالا ممکن است عمر چرخه ضعیف، خطرات ایمنی، هزینه های بالا یا توان خروجی محدود داشته باشند. بهترین باتری به نیازهای برنامه بستگی دارد-گاهی اوقات طرح‌های انرژی خاص کمتر به دلیل ویژگی‌های برتر در سایر زمینه‌ها به طور کلی بهتر عمل می‌کنند.

اندازه گیری انرژی خاص نیاز به روش های آزمایش دقیق دارد. برای باتری‌ها، پروتکل‌های استاندارد شامل شارژ کامل سلول، سپس تخلیه آن با نرخ‌های مشخص در حین اندازه‌گیری انرژی تحویل‌شده است. با تقسیم کل انرژی خروجی بر جرم سلول، انرژی ویژه بر حسب Wh/kg به دست می‌آید.

چندین سازمان استانداردهایی را برای اندازه گیری انرژی خاص حفظ می کنند. کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی (IEC) روش‌های آزمایشی را منتشر می‌کند تا از سازگاری بین تولیدکنندگان اطمینان حاصل کند. نتایج می تواند بر اساس نرخ تخلیه، دما و روش آزمایش متفاوت باشد، بنابراین مقایسه مقادیر خاص انرژی نیاز به درک شرایط آزمایش دارد.

اندازه‌گیری‌های سطح سلولی{0}}با مقادیر سطح بسته به طور قابل توجهی متفاوت است. بسته‌های باتری شامل الکترونیک مدیریت، سیستم‌های خنک‌کننده و اجزای ساختاری هستند که بدون ذخیره انرژی، جرم را اضافه می‌کنند. بسته{4}}انرژی ویژه سطح معمولاً به 65-75٪ از مقادیر سطح سلول می‌رسد. هنگام محاسبه عملکرد برنامه، طراحان سیستم باید این کاهش را در نظر بگیرند.

Specific Energy

بهبودهای انرژی خاص از یک مسیر قابل پیش بینی بر اساس خواص اساسی مواد و پیشرفت های تولید پیروی می کند. با بهینه‌سازی فرمول‌های الکترود، کاهش جرم مواد غیرفعال و بهبود کارایی تولید، دستاوردهای افزایشی همچنان ادامه دارد. پیش‌بینی‌های کنونی نشان می‌دهند که انرژی ویژه یون لیتیوم در دهه آینده به 350-400 وات ساعت بر کیلوگرم از طریق پیشرفت‌های تکاملی خواهد رسید.

تغییرات انقلابی نیاز به شیمی جدید دارد. اگر مشکلات فنی حل شود، باتری‌های-حالت جامد می‌توانند به 400-500 وات ساعت بر کیلوگرم برسند. باتری‌های لیتیوم-گوگرد و لیتیوم-باطری‌های هوا حتی انرژی ویژه بالاتری را می‌دهند، اما با موانع توسعه قابل توجهی روبرو هستند. باتری‌های یون سدیم هزینه کمتری را در ازای صرف انرژی خاص ارائه می‌کنند و کاربردهایی را هدف قرار می‌دهند که وزن آن کمتر از صرفه اقتصادی است.

تأثیر انرژی ویژه بالاتر فراتر از کاربردهای آشکار است. با بهبود انرژی ویژه باتری و کاهش هزینه‌ها، ذخیره انرژی در مقیاس شبکه قابل دوام‌تر می‌شود. دستگاه های پزشکی قابل حمل در بین شارژها عملکرد طولانی تری دارند. ابزارهای برقی بدون کاهش زمان اجرا سبک تر می شوند. هر بهبود فزاینده ای در انرژی خاص، امکانات جدیدی را در صنایع متعدد ممکن می سازد.

به طور خاص برای حمل و نقل الکتریکی، بهبودهای انرژی خاص با کاهش وزن و جریمه هزینه باتری‌ها در مقابل سوخت‌های فسیلی، پذیرش را هدایت می‌کند. هر 50 Wh/kg افزایش در انرژی ویژه به معنی تقریباً 15-20٪ برد بیشتر خودرو یا کاهش وزن معادل است و انتقال به تحرک الکتریکی را تسریع می کند. صنعت خودرو 400 Wh/kg را به عنوان آستانه ای در نظر می گیرد که خودروهای الکتریکی را از نظر وزن و هزینه با خودروهای معمولی در تمام بخش های بازار رقابت می کند.

درک انرژی خاص و پیامدهای آن به مهندسان، طراحان و مصرف کنندگان کمک می کند تا تصمیمات آگاهانه ای در مورد فناوری های ذخیره سازی انرژی بگیرند. صرف نظر از انتخاب شیمی باتری برای یک محصول جدید، ارزیابی ادعاهای محدوده خودروهای الکتریکی، یا درک اینکه چرا برخی کاربردها فراتر از قابلیت های باتری باقی می مانند، انرژی خاص زمینه ضروری را فراهم می کند. همانطور که تحقیقات این معیار را بالاتر می برد، برنامه های کاربردی که قبلا غیرممکن بودند امکان پذیر می شوند و نقش ذخیره انرژی الکتریکی در فناوری مدرن را گسترش می دهند.