به گزارش تجارت نیوز، در سالهای اخیر، باتریهای لیتیوم-یون به ستون فقرات دنیای فناوری تبدیل شدهاند؛ از خودروهای برقی گرفته تا ذخیره انرژی شبکه و دستگاههای الکترونیکی. با این حال محدود بودن منابع لیتیوم و دشوارتر شدن افزایش چگالی انرژی، پژوهشگران را به سمت یافتن شیمیهای باتری جدید سوق داده است. در این میان، باتریهای کلسیم-یون به دلیل فراوانی و ارزانی عنصر کلسیم، به عنوان گزینهای آیندهدار مطرح شدهاند. اکنون پژوهشی تازه نشان میدهد این فناوری ممکن است بیش از همیشه به مرحله کاربرد عملی نزدیک شده باشد.
پیشرفت تازه در فناوری باتری کلسیم-یون
گروهی از محققان موفق شدهاند نوعی باتری کلسیم-یون جدید طراحی کنند که عملکرد و پایداری چرخهای بهتری نسبت به نمونههای قبلی دارد. این سیستم با استفاده از الکترولیتهای شبهجامد ساخته شده که بر پایه چارچوبهای آلی کووالانسی فعال در واکنشهای اکسایش-کاهش هستند. این مواد ساختاری منظم و کانالهای همراستا ایجاد میکنند که حرکت یونهای کلسیم را درون باتری تسهیل میکند.
باتریهای کلسیم-یون از نظر نظری پنجره الکتروشیمیایی مشابهی با باتریهای لیتیوم-یون دارند، اما تاکنون به دلیل انتقال ضعیف یون و ناپایداری در چرخههای شارژ و دشارژ، استفاده عملی از آنها دشوار بوده است.
مهمترین چالش این فناوری، حرکت کند یونهای دوظرفیتی Ca²⁺ در الکترولیت است؛ مشکلی که باعث افت عملکرد و تخریب سریع باتری میشود. تیم تحقیقاتی برای حل این مسئله، چارچوبهایی غنی از گروههای کربونیل طراحی کرد. این گروهها در منافذ منظم ماده قرار گرفتهاند و مسیرهای هدایت یونی ایجاد میکنند.
نتیجه این طراحی چشمگیر بود:
- رسانایی یونی به 0.46 میلیزیمنس بر سانتیمتر در دمای اتاق رسید.
- عدد انتقال یون Ca²⁺ از 0.53 فراتر رفت.
مطالعات آزمایشگاهی و شبیهسازی نشان دادند یونهای کلسیم با سرعت در امتداد گروههای کربونیل همراستا حرکت میکنند و این یعنی مانع اصلی عملکرد باتری تا حد زیادی برطرف شده است.
عملکرد واقعی در سلول کامل
محققان تنها به آزمایش مواد بسنده نکردند و یک سلول باتری کامل ساختند. این نمونه آزمایشی توانست ظرفیت ویژه برگشتپذیر ۱۵۵.۹ میلیآمپر ساعت بر گرم را در جریان ۰.۱۵ آمپر بر گرم ارائه دهد و پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، بیش از ۷۴.۶ درصد ظرفیت خود را در جریان ۱ آمپر بر گرم حفظ کند.
این اعداد نشان میدهد که فناوری کلسیم-یون در حال نزدیک شدن به معیارهای عملکردی مورد نیاز برای استفاده عملی است، بهویژه در کاربردهایی که هزینه پایین و دوام بالا اهمیت دارد.
مزیت ایمنی و کاربردهای بالقوه
الکترولیتهای شبهجامد علاوه بر افزایش تحرک یونی، مزیت ایمنی هم دارند. آنها نسبت به الکترولیتهای مایع خطر نشت کمتری دارند و پایداری مکانیکی بالاتری ارائه میدهند. همین ویژگی میتواند این نوع باتری را برای کاربردهای حساسی مانند خودروهای الکتریکی و ذخیرهسازی انرژی در مقیاس شبکه جذاب کند؛ حوزههایی که طول عمر و ایمنی حیاتی است.
مسیر آینده فناوری
این پروژه حاصل همکاری پژوهشگران چند مرکز علمی بوده و نتایج آن نشان میدهد که باتریهای مبتنی بر کلسیم میتوانند در آینده بخشی از ترکیب فناوریهای ذخیرهسازی انرژی باشند. البته هنوز برای تولید انبوه و ارزیابی تجاری بلندمدت، تحقیقات بیشتری لازم است.
پیشرفت اخیر نشان میدهد یکی از بزرگترین نقاط ضعف باتریهای کلسیم-یون، یعنی انتقال کند یون، تا حد زیادی قابل حل است. دستیابی به رسانایی بالا، ظرفیت ۱۵۵.۹ میلیآمپر ساعت بر گرم و حفظ ۷۴.۶ درصد ظرفیت پس از ۱۰۰۰ چرخه، نشانهای قوی از بلوغ این فناوری است. اگر روند توسعه ادامه یابد، باتریهای کلسیم-یون میتوانند در آینده نهچندان دور به رقیبی جدی برای باتریهای لیتیوم-یون تبدیل شوند و نقشی مهم در گذار جهانی به انرژی پاک ایفا کنند.
