نوآوری در باتری‌های روی: ایمنی و پایداری بیشتر

پیشرفت‌های جدید در باتری‌های روی-گوگرد

باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یونی، منبع انرژی بسیاری از دستگاه‌ها، از خودروهای برقی تا تجهیزات پوشیدنی هستند. اما تحقیقات جدید دانشگاه کیس وسترن رزرو نشان می‌دهد که یک جایگزین پایدارتر و مقرون به صرفه‌تر ممکن است در باتری‌های مبتنی بر روی وجود داشته باشد. محققان در مطالعه‌ای که به تازگی در نشریه Angewandte Chemie منتشر شده، از یک گام مهم به سوی ایجاد باتری‌های روی-گوگرد با عملکرد بالا و هزینه پایین خبر دادند.

چیس کائو، محقق اصلی و استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشکده مهندسی کیس، گفت: “این تحقیق یک گام بزرگ به جلو در توسعه راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی ایمن‌تر و پایدارتر است.” او افزود: “باتری‌های آبی روی-گوگرد این پتانسیل را دارند که طیف وسیعی از کاربردها را تأمین کنند – از سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر تا الکترونیک قابل حمل – با تأثیر زیست‌محیطی کمتر و وابستگی کاهش یافته به مواد کمیاب.”

با وجود استفاده گسترده، باتری‌های لیتیوم-یونی گران‌قیمت هستند، به مواد نسبتاً نادری وابسته‌اند و تولید آن‌ها پیچیده است. در مقابل، باتری‌های روی-گوگرد از مواد فراوان‌تر و ارزان‌تری استفاده می‌کنند و نگرانی‌های زیست‌محیطی و ایمنی کمتری دارند. با این حال، چالش‌هایی مانند خوردگی آند روی، هدایت‌پذیری پایین و رشد دندریت‌ها به‌طور تاریخی مانع از قابلیت تجاری آن‌ها شده است.

تیم کائو با معرفی دو افزودنی کلیدی، یعنی اتر متیل پروپیلن گلیکول و یدید روی، بر این موانع غلبه کرد. این فناوری چندین بهبود اساسی را به همراه داشت: افزایش ظرفیت انرژی به میزان ۲۰٪، بهبود هدایت‌پذیری و ثبات، و جلوگیری از رشد دندریت‌های روی.

تحول در باتری‌های جدید: کاهش خطرات و افزایش کارایی

اگر دندریت‌ها دو سر مثبت و منفی باتری را به هم متصل کنند، ممکن است باتری دچار اتصال کوتاه شود و آتش‌سوزی ایجاد کند؛ این یکی از مشکلات عمده باتری‌های لیتیوم-یونی است. گویین ژو، استاد دانشگاه دونگ‌هوا در شانگهای و یکی از نویسندگان اصلی این تحقیق، می‌گوید: “این افزودنی‌ها نه تنها کارایی باتری را افزایش می‌دهند، بلکه با کاهش تشکیل دندریت، به نگرانی‌های ایمنی دیرینه پاسخ می‌دهند.” او ادامه می‌دهد: “نتیجه این تحقیقات، باتری‌های فشرده و با چگالی بالاتر است که می‌توانند چندین بار شارژ شوند بدون اینکه به طور قابل توجهی دچار افت کیفیت شوند.”

پیامدهای این پیشرفت فراتر از هزینه و ایمنی است. باتری‌های زینک-گوگرد چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی دارند که این امر امکان طراحی‌های کوچکتر و با عمر طولانی‌تر را فراهم می‌کند. این می‌تواند تحولی در ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و دستگاه‌هایی باشد که به قابلیت اطمینان و کارایی نیاز دارند.

علاقه اصلی کائو در توسعه باتری‌های بهتر برای رباتیک نرم نوین و سیستم‌های حسگری پیشرفته است که هر دو به باتری‌های با ظرفیت بالا و عمر طولانی وابسته هستند. به عنوان مثال، او در حال توسعه ربات‌های شناگری الهام‌گرفته از طبیعت است که توانایی آن‌ها به باتری‌های سبک و بادوامی بستگی دارد که می‌توانند ماموریت‌های طولانی را بدون نقص انجام دهند؛ زیرا ربات نمی‌تواند در میانه ماموریت خاموش شود و هرگز به خانه برنمی‌گردد.

کائو که مدیریت آزمایشگاه ماشین‌های نرم و الکترونیک در دانشگاه CWRU را بر عهده دارد، همچنین در حال توسعه فناوری‌های جدید برای اکتشافات فضایی و کشاورزی است و به دنبال راه‌هایی برای حذف زباله‌های خطرناک و فراوان فضایی می‌باشد. این تحقیقات همچنین با همکاری محققانی از دانشگاه فودان در شانگهای و دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ انجام شده است.