ساخت باتری شبیه ساندویچ بیکن

به گزارش خبرگزاری رسا به نقل از باشگاه خبرنگاران جوان،  در سال ۲۰۲۱ دانشمندان موفق به ساخت نمونه‌های اولیه باتری‌هایی شدند که دارای تراکم انرژی بسیار بالاتر و قابلیت شارژ بسیار سریع‌تر نسبت به باتری‌های کنونی هستند و ظرفیت آن‌ها پس از دفعات متعدد سیکل شارژ و دشارژ، همچنان به میزان بالایی حفظ می‌شود. در ادامه نگاهی به مهم‌ترین دستاورد‌های دنیای باتری‌ها در سال ۲۰۲۱ داریم.

در دنیای مدرن امروز در بیشتر وسایل نیازمند به باتری، از باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود؛ از گوشی و لپ‌تاپ گرفته تا خودرو‌های برقی و هواپیما؛ با این حال در سال‌های گذشته فناوری‌های جدید و مبتکرانه زیادی در حوزه ساخت باتری با هدف طراحی و ایجاد باتری‌هایی با عملکرد بسیار بهتر نسبت به باتری‌های کنونی مطرح شده‌اند.

برخی دانشمندان ارائه‌دهنده این فناوری‌ها استفاده از مواد جدید در باتری‌ها را پیشنهاد کرده‌اند و برخی دیگر از آن‌ها فناوری‌هایی را مطرح کرده‌اند که بر پایه تغییر کامل ساختار دستگاه‌ها شکل گرفته‌اند.

افزایش چشمگیر سرعت شارژ

یکی از روش‌های مطرح‌شده از سوی دانشمندان برای افزایش سرعت شارژ باتری‌ها، استفاده از آند (یکی از دو الکترود مورداستفاده در باتری‌ها) متخلخل است. این نوع طراحی باعث ایجاد فضای تماس بیشتر برای الکترولیت‌های مایع حمل‌کننده یون‌های لیتیومی و راحت‌تر شدن ترکیب یون‌های لیتیومی با سایر مواد باتری می‌شود که افزایش بسیار زیاد سرعت شارژ باتری را به دنبال دارد.

در نوامبر ۲۰۲۱ دانشمندان دانشگاه توئنته (University of Twente) به روش جدیدی دست یافتند که امید آن‌ها برای استفاده از این فناوری را افزایش داد. آن‌ها موفق شدند با روشی معمول و متداول با استفاده از ماده‌ای به نام نیوبات نیکل، یک آند جدید با ساختاری متفاوت ایجاد کنند. این آند جدید دارای ساختار کریستالی باز و متداول با کانال‌های متعدد است که باعث شده‌اند آند به ماده‌ای مناسب برای انتقال یون‌ها تبدیل شود.

دانشمندان این آند جدید را در یک سلول باتری کامل استفاده کردند و دریافتند که آند جدید سرعت شارژ باتری را ۱۰ برابر سرعت شارژ باتری‌های متداول کرده است؛ بنابراین بهره‌مندی از آند متخلخل فناوری قابل‌توجهی در زمینه ساخت باتری محسوب می‌شود. در ضمن نیوبات نیکل نسبت به گرافیت که برای ساخت آند باتری‌های متداول امروزی استفاده می‌شود، تراکم بالاتری دارد؛ بنابراین می‌توان با استفاده از این ماده، باتری‌های تجاری سبک‌تر و کوچک‌تری را تولید کرد.

جلوگیری از کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی باتری‌های لیتیوم یونی به منظور شارژ سریع‌تر خودروهای برقی

در زمان استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی، چرخه‌ای در آن‌ها آغاز می‌شود که باعث می‌شود یون‌ها در بین دو الکترود به‌صورت مستمر به سمت عقب و جلو در حرکت باشند؛ اما تمام یون‌ها چنین حرکتی را کامل نمی‌کنند و در مسیر خود متوقف می‌شوند که باعث می‌شود توده‌های الکتروشیمیایی غیرفعالی از یون‌ها در باتری ایجاد شود و یون‌های غیرفعال دیگر به الکترودها متصل نمی‌شوند. این توده‌ها ظرفیت ذخیره‌سازی باتری را کاهش می‌دهند و حتی در برخی از مواقع باعث آتش گرفتن باتری می‌شوند.

چند روز پیش دانشمندان دانشگاه استنفورد به روشی دست یافتند که با استفاده از آن نه‌تنها می‌توانند توده‌های غیرفعال یون را بی‌خطر کنند، بلکه می‌توانند آن‌ها را بار دیگر فعال کنند تا عملکرد باتری تقویت شود. اعضای این گروه پژوهشی دریافتند می‌توان با اعمال ولتاژ قوی به یون‌های غیرفعال در حین شارژ باتری، آن‌ها را دوباره فعال کنند و به چرخه بازگردانند. چنانچه این یون‌ها فعال شوند، می‌تواند دوباره به الکترودها متصل شوند و عملکرد باتری را تا ۳۰ درصد افزایش دهند.

طبق گفته اعضای این گروه پژوهشی این فناوری نیز می‌تواند همچون فناوری قبلی به افزایش سرعت شارژ باتری‌های کنونی کمک کند یا امکان ساخت باتری‌های شارژی با ظرفیت ذخیره‌سازی بالاتر و عمر بالاتر را فراهم کند.

در ضمن آن‌ها به این نکته اشاره کرده‌اند که مشکل ایجاد توده‌های یون غیرفعال، یکی از مشکلات اساسی در مسیر ساخت باتری‌های لیتیومی فلزی نسل آینده است که انتظار می‌رود ظرفیت ذخیره‌سازی آن‌ها نسبت به باتری‌های لیتیومی کنونی ۱۰ برابر باشد؛ بنابراین این فناوری می‌تواند زمینه‌ساز ایجاد راه‌حل‌های مؤثر و کاربردی جهت ایجاد معماری و ساختارهای شگفت‌انگیز و ساخت باتری‌های بسیار کاربردی باشد.

ساخت باتری شبیه ساندویچ بیکن

یکی از دلایل توجه ویژه دانشمندان به باتری‌های لیتیومی فلزی و تلاش آن‌ها برای ساخت چنین باتری‌هایی در آینده، برخورداری فلز لیتیوم از ظرفیت ذخیره‌سازی بالاتر و تراکم انرژی بالاتر نسبت به گرافیت و مس استفاده‌شده در آندهای مورداستفاده در باتری‌های کنونی است. شین لی (Xin Li) دانشمند علوم ماده دانشگاه هاروارد، با تمام وجود به دنبال ساخت چنین باتری کارآمدی است. او در می ۲۰۲۱ موفق شد باتری جدیدی شبیه به ساندویچ بیکن بسازد که می‌تواند موانع ساخت مرتبط با پایداری باتری لیتیومی فلزی را که تاکنون مانع ساخت آن‌ها شده است، برطرف کند.

مسائل مرتبط با پایداری باتری، از برآمدگی‌های سوزن شکلی که در هنگام شارژ روی آند باتری‌های فلزی لیتیومی تشکیل می‌شود و دنتریتی نام دارد، نشئت می‌گیرد. این برآمدگی‌ها نه‌تنها باعث تضعیف عملکرد باتری می‌شوند؛ بلکه در برخی از موارد باعث مختل شدن عملکرد باتری یا حتی آتش گرفتن آن می‌شود.

لی و همکارانش قصد دارند با استفاده از یک الکترولیت جامد به‌جای الکترولیت مایع این مشکل را برطرف کنند. این دو الکترولیت مایع همچون دو لایه نان ساندویچ روی‌هم قرار می‌گیرند و وضعیت باتری را کنترل می‌کنند. در ضمن دنتریتی‌ها روی این دو لایه الکترولیت قرار می‌گیردن.

ساخت باتری به شکل ساندویچ بیکن می‌تواند مشکل پر کردن فضای خالی ایجادشده با دنتریت‌ها را برطرف کند. اعضای گروه پژوهشی لی دریافتند باتری ساخته‌شده به شکل ساندویچ می‌تواند پس از ۱۰ هزار بار سیکل شارژ، همچنان ۸۵ درصد ظرفیت خود را حفظ کند. در ضمن دانشمندان سازنده این باتری وعده داده‌اند که این نوع باتری می‌تواند جریان را به حدی متراکم کند که روزی شارژ وسایل نقلیه برقی تنها در ۲۰ دقیقه امکان‌پذیر شود.

استفاده از چوب برای ساخت آند باتری

دانشمندان آمریکایی در اکتبر ۲۰۲۱ به روش جدیدی برای برطرف کردن مشکلات مربوط به پایداری باتری‌های فلزی لیتیومی دست پیدا کردند که در آن از طبیعت الهام گرفته شده است. دانشمندان در این روش نیز برای شارژ باتری به‌جای الکترولیت مایع از الکترولیت جامد استفاده کرده‌اند. پژوهشگران در نخستین مراحل ساخت باتری موردنظر خود از نانورشته‌های سلولوزی به‌دست‌آمده از چوب استفاده کردند.

این نانورشته‌های سلولوزی که به شکل لوله‌های پلیمری میکروسکوپی ایجاد شده‌اند برای ساخت رسانای جامد یون با مس ترکیب شده‌اند. چنین ساختاری باعث شده این لوله‌های میکروسکوپی روزنه‌های کوچکی میان زنجیره‌های پلیمر که به‌عنوان بزرگراه‌های برای انتقال یون‌ها استفاده می‌شوند، ایجاد کنند و یون‌ها به شکل بسیار خوبی انتقال داده شوند. این موضوع به معنای این است که میزان رسانایی این ماده جدید ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از رساناهای یونی پلیمری است.

این دانشمندان همچنین اذعان کرده‌اند که به دلیل اینکه ضخامت این ماده جدید در حد کاغذ است و انعطاف‌‌پذیری بالایی هم دارد، الکترولیت بهتر می‌تواند فشار و بار ایجادشده در هنگام شارژ باتری را تحمل و از آسیب دیدن محیط ساختار باتری‌های لیتیومی فلزی جلوگیری کند.

طراحی جدید برای باتری‌های قلیایی فلزی کلر

باتری‌های قلیایی فلزی کلر که از دهه ۱۹۷۰ تاکنون استفاده می‌شود، دارای تراکم انرژی بالایی هستند؛ اما به دلیل برخورداری از ماده کلر با قابلیت واکنش شدید، تنها یک مرتبه می‌توانند شارژ و استفاده شوند؛ اما دانشمندان استنفورد در اوت ۲۰۲۱ به روشی دست یافتند که با استفاده از آن می‌توانند واکنش‌های ایجادشده در این نوع از باتری‌ها را ثابت و پایدار و قابلیت شارژ مجدد را در این باتری‌های دارای تراکم بالا ایجاد کنند.

دانشمندان برای تبدیل کردن این باتری‌ها به باتری‌های شارژی از ماده جدیدی برای ساخت الکترود استفاده کرده‌اند که از کربن متخلخل ایجاد شده است. این ماده مولکول‌های کلر ناپایدار را اسفنجی و آن‌ها را با روشی امن به حالت اولیه خود یعنی سدیم کلر تبدیل می‌کند تا دشارژ شوند. در بررسی نمونه آزمایشی این باتری که تراکم انرژی آن ۶ برابر باتری‌های لیتیوم یونی امروزی است، مشخص شد که سیکل شارژ آن می‌تواند تا ۲۰۰ مرتبه تکرار شود.

ساخت نسل جدید باتری‌های لیتیوم یونی با تراکم انرژی بالاتر نسبت به باتری‌های مشابه

گروهی از دانشمندان در حال تمرکز روی ماده‌ای به نام الکترولیت بین فازی جامد برای بهبود عملکرد باتری لیتیوم فلزی هستند. این ماده در حقیقت لایه نازکی است که روی آند قرار می‌گیرد و نقش یک نگهبان و ناظر در یک ورودی را ایفا می‌کند تا ببیند چه مولکولی در حین شارژ وارد الکترولیت می‌شود و در حقیقت ورود مولکول‌ها را کنترل می‌کند.

در آند واکنش‌های پیچیده‌ای ایجاد می‌شود و این واکنش‌ها در طراحی‌های کنونی باتری‌ها، عملکرد الکترولیت‌های بین فازی را تحت تأثیر قرار می‌دهد؛ اما دانشمندان آزمایشگاه ملی شمال‌غربی پسیفیک (Energy’s Pacific Northwest National Laboratory) به راه‌حل جدیدی دست یافته‌اند و موفق شده‌اند نوارهای بسیار باریکی از لیتیوم با عرض ۲۰ میکرون ایجاد کنند که بسیار نازک‌تر یک تار موی انسان هستند.

این رشته‌ها همراه با الکترولیت بین فازی جامد به‌عنوان ماده پایه آند استفاده شدند. آندهای ساخته‌شده با این مواد در مقایسه با آندهایی که دارای رشته‌های ضخیم‌تری هستند، با الکترولیت‌ها بهتر تعامل برقرار می‌کنند؛ زیرا در آندهای دارای رشته‌های ضخیم‌تر لیتیوم، ضخامت بالای رشته‌ها مانع ایجاد واکنش‌های مهم الکتروشیمیایی می‌شود.

حفظ ۷۶ درصدی ظرفیت ذخیره‌سازی نمونه اولیه سلول باتری کیسه شکل دارای آند تهیه‌شده توسط این دانشمندان پس از بیش از ۶۰۰ بار سیکل شارژ و برخورداری از تراکم انرژی ۳۵۰ وات/کیلوگرم، نشان‌دهنده عملکرد بسیار خوب این آند جدید است. لازم به ذکر است میزان تراکم انرژی در بهترین نوع باتری‌های لیتیوم یونی فعلی، بین ۲۵۰ تا ۳۰۰ وات در کیلوگرم است.

استفاده از مواد دندان‌ پزشکی مورداستفاده برای پر کردن جهت ساخت آند

در ماه مارس سال ۲۰۲۱ دانشمندان در حال تلاش برای ساخت باتری جدیدی بودند که قصد داشتند در آن به‌جای الکترولیت مایع از الکترولیت جامد استفاده کنند؛ قبل از آغاز فعالیت‌های پژوهشی این دانشمندان، گروهی دیگری از دانشمندان نیز برای ساخت این نوع جدید باتری جدید تلاش کرده بودند؛ اما موانعی بر سر راه آن‌ها وجود داشت و اکنون این دانشمندان که می خواهند آن‌ها نیز شانس خود را برای ساختن این نوع باتری امتحان کنند، وعده داده‌اند که با طراحی جدید خود موانع اصلی ساخت این باتری‌ها را از سر راه برمی‌دارند.

باتری طراحی‌شده توسط این گروه از دانشمندان مجهز به الکترود نیمه مایع ساخته‌شده از آلیاژ ترکیبی سدیم فسفات است. دانشمندان ماده مورداستفاده برای الکترود جدید خود را شبیه به ماده‌ای می‌دانند که دندان‌پزشکان برای پر کردن دندان از آن استفاده می‌کنند و طبق گفته آن‌ها تغییر شکل و قالب‌گیری این ماده به‌راحتی امکان‌پذیر است.

زمانی که این ماده به الکترونیک جامد متصل می‌شود، به‌اندازه‌ای محکم است که مانند الکترود ساخته‌شده از مواد سفت و شکننده، ترک برندارد. مواد جدید ایجادشده توسط این دانشمندان از قابلیت خود ترمیمی نیز برخوردار است که مانع ایجاد دندریت‌ها می‌شود. در ضمن تراکم انرژی باتری‌های ساخته‌شده با این مواد در مقایسه با باتری‌های دارای الکترود جامد، ۲۰ برابر است که امکان شارژ بسیار سریع‌تر این باتری‌ها را فراهم می‌کند.