باتری‌های آینده: روی جایگزین لیتیوم می‌شود؟ انقلاب در انرژی پاک نزدیک است!

گام‌های نوین در تولید باتری‌های روی-گوگرد

باتری‌های لیتیوم-یونی شارژی، امروزه همه جا، از اتومبیل‌های برقی گرفته تا وسایل پوشیدنی، تأمین‌کننده انرژی هستند. اما تحقیقات جدید از دانشگاه کیس وسترن رزرو نشان می‌دهد که ممکن است جایگزینی پایدارتر و ارزان‌تر در باتری‌های مبتنی بر روی وجود داشته باشد. در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله‌ی Angewandte Chemie منتشر شده، پژوهشگران از یک پیشرفت مهم در جهت ساخت باتری‌های روی-گوگرد با عملکرد بالا و هزینه‌ی کمتر خبر داده‌اند.

چیس کائو، محقق اصلی و استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشکده مهندسی کیس، گفت: «این پژوهش یک گام بزرگ به جلو در مسیر توسعه‌ی راه‌ حل‌های ذخیره‌سازی انرژی ایمن‌تر و پایدارتر است.» او اضافه کرد: «باتری‌های آبی روی-گوگرد این پتانسیل را دارند که طیف وسیعی از کاربردها را با اثرات زیست‌محیطی کمتر و اتکای کمتری به مواد نادر فراهم کنند؛ از سامانه‌های انرژی تجدیدپذیر گرفته تا الکترونیک قابل حمل.»

باتری‌های لیتیوم-یونی، با وجود استفاده‌ی گسترده، گران‌قیمت هستند، به مواد نسبتاً کمیاب وابسته‌اند و تولیدشان پیچیده است. در مقابل، باتری‌های روی-گوگرد از مواد فراوان‌تر و ارزان‌تری استفاده می‌کنند و نگرانی‌های زیست‌محیطی و ایمنی کمتری دارند. با این حال، مشکلاتی مانند خوردگی آند روی، رسانایی پایین و رشد ساختارهای سوزنی‌شکل، از نظر تاریخی مانع تجاری‌سازی آن‌ها شده است.

تیم کائو با معرفی دو افزودنی کلیدی، یعنی اتر متیل گلیکول پروپیلن و یدید روی، این موانع را رفع کرد. این فناوری باعث شد تا بهبودهای چشمگیری حاصل شود: افزایش ظرفیت انرژی تا ۲۰٪، بهبود رسانایی و پایداری و پیشگیری از رشد ساختارهای سوزنی‌شکل روی.

یک انقلاب در دنیای باتری‌های لیتیوم-یونی

اگر ساختارهای سوزنی‌شکل به دو قطب مثبت و منفی باتری متصل شوند، می‌توانند باعث اتصال کوتاه و آتش‌سوزی شوند که این یکی از مشکلات اصلی باتری‌های لیتیوم-یونی است. گویین ژو، استاد دانشگاه دونگ‌هوا در شانگهای و نویسنده‌ی همکار این پژوهش، می‌گوید: «این افزودنی‌ها نه تنها بازدهی باتری را افزایش می‌دهند، بلکه نگرانی‌های ایمنی قدیمی را با کاهش تشکیل این ساختارها نیز برطرف می‌کنند.» او افزود: «نتیجه‌ی این تحقیق، باتری‌های فشرده‌تر و با چگالی انرژی بالاتر است که می‌توانند بارها بدون افت قابل توجه شارژ شوند.»

اثرات این پیشرفت

پیامدهای این پیشرفت، فراتر از صرفه‌جویی در هزینه و ایمنی است. باتری‌های روی-‌گوگرد چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی دارند که این امکان را فراهم می‌آورد تا طرح‌های کوچکتر و با دوام‌تری ساخته شوند. این موضوع می‌تواند در زمینه‌ی ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و دستگاه‌هایی که به قابلیت اطمینان و کارایی نیاز دارند، یک تغییر بزرگ ایجاد کند.

تمرکز بر رباتیک نرم و سامانه‌های حسگری پیشرفته

تمرکز اصلی کائو بر توسعه‌ی باتری‌های بهتر برای رباتیک نرم نوآورانه و سامانه‌های حسگری پیشرفته است که هر دو به باتری‌هایی با ظرفیت بالا و عمر طولانی وابسته هستند. برای مثال، او در حال توسعه‌ی ربات‌های شناوری است که از طبیعت الهام گرفته‌اند و دوام آن‌ها به باتری‌های سبک و بادوام وابسته است تا بتوانند مأموریت‌های طولانی را بدون مشکل انجام دهند. ربات نمی‌تواند در میانه‌ی مأموریت متوقف شود و هرگز به خانه بازنگردد.

کائو که سرپرست آزمایشگاه ماشین‌های نرم و الکترونیک در دانشگاه CWRU است، همچنین در حال توسعه‌ی فناوری‌های جدید برای اکتشاف در فضا و کشاورزی است و به دنبال راه‌هایی برای پاکسازی زباله‌های فضایی خطرناک و فراوان می‌باشد. این پژوهش همچنین با همکاری محققانی از دانشگاه فودان در شانگهای و دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ انجام شده است.