انقلابی در باتری‌های روی: جایگزین ایمن و پایدار

پیشرفت‌های جدید در باتری‌های روی-گوگرد

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

چیس کائو، محقق اصلی و استاد یار 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 پتانسیل این را دارند که یک دامنه وسیع از کاربردها را با تأثیر محیطی کمتر و وابستگی کمتر به مواد کمیاب تأمین کنند؛ از سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر تا الکترونیک قابل حمل.”

باتری‌های لیتیوم-یونی، اگرچه به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند، اما هزینه‌بر هستند، به مواد نسبتاً نادری وابسته‌اند و تولید آن‌ها پیچیده است. در مقابل، باتری‌های روی-گوگرد از مواد فراوان‌تر و ارزان‌تر استفاده می‌کنند و نگرانی‌های زیست‌محیطی و ایمنی کمتری دارند. با این حال، چالش‌هایی مانند خوردگی آند روی، هدایت پایین و رشد دندریتی به طور تاریخی مانع از قابلیت تجاری آن‌ها شده است.

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

تحولی در باتری‌های لیتیوم-یونی

اگر دندریت‌ها به دو سر مثبت و منفی باتری متصل شوند، ممکن است باعث اتصال کوتاه و آتش‌سوزی شوند که این یکی از مشکلات عمده باتری‌های لیتیوم-یونی است. گویین ژو، استاد دانشگاه دونگ‌هوا در شانگهای و نویسنده همکار این تحقیق، می‌گوید: “این افزودنی‌ها نه تنها کارایی باتری را افزایش می‌دهند، بلکه نگرانی‌های ایمنی قدیمی را با کاهش تشکیل دندریت‌ها برطرف می‌کنند.” او افزود: “نتیجه این تحقیق، باتری‌های فشرده و با چگالی بالاتر است که می‌توانند بارها بدون کاهش قابل توجهی شارژ شوند.”

پیامدهای این پیشرفت

پیامدهای این پیشرفت فراتر از مقرون به صرفه بودن و ایمنی است. باتری‌های زینک-گوگرد چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی دارند که این موضوع امکان طراحی‌های کوچکتر و با عمر طولانی‌تری را فراهم می‌کند. این می‌تواند تحولی در ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و دستگاه‌هایی که به قابلیت اطمینان و کارایی نیاز دارند، ایجاد کند.

تمرکز بر رباتیک نرم و سیستم‌های حسگری پیشرفته

علاقه اصلی کائو در توسعه باتری‌های بهتر برای رباتیک نرم نوآورانه 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 دوام آن‌ها به باتری‌های سبک و با دوام بستگی دارد تا بتوانند مأموریت‌های طولانی را بدون نقص انجام دهند. ربات نمی‌تواند در میانه مأموریت خاموش شود و هرگز به خانه نخواهد برگشت.

کائو که رهبری 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 فضایی خطرناک و فراوان می‌باشد. این تحقیق همچنین با همکاری محققانی از دانشگاه فودان در شانگهای و دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ انجام شده است.