به گزارش تجارت نیوز، جهان امروز بیش از هر زمان دیگری به فناوریهای ذخیرهسازی انرژی کارآمد، ایمن و مقرونبهصرفه نیاز دارد. رشد سریع انرژیهای تجدیدپذیر مانند خورشیدی و بادی، نیاز به باتریهایی با ظرفیت بالا و طول عمر طولانی را پررنگتر کرده است. تاکنون باتریهای لیتیوم-یون در صدر فناوریهای ذخیرهسازی قرار داشتهاند، اما هزینه بالا، محدودیت منابع لیتیوم و نگرانیهای ایمنی، دانشمندان را به سمت جایگزینهای جدید سوق داده است. یکی از امیدبخشترین این جایگزینها، باتریهای سدیم حالت جامد است که سدیم را جایگزین لیتیوم میکنند؛ عنصری ارزانتر، فراوانتر و دسترسپذیرتر.
کشف جدید محققان استرالیایی
گروهی از محققان مؤسسه مهندسی زیستی و نانوفناوری استرالیا (AIBN) در دانشگاه کوئینزلند موفق به توسعه یک الکترولیت جامد نوین شدهاند که میتواند مسیر تجاریسازی باتریهای سدیمی را هموار کند. این ماده جدید، یک کوپلیمر بلوکی فلوئوردار به نام P(Na3-EO7)-PFPE است که ویژگیهایی منحصر به فرد دارد:
- حالت جامد و پلاستیکمانند دارد.
- غیرقابل اشتعال است و خطر آتشسوزی را برطرف میکند.
- جلوی تشکیل دندریتها (رشد سوزنیشکل فلزی که باعث اتصال کوتاه و انفجار میشود) را میگیرد.
عملکرد آزمایشگاهی شگفتانگیز
این الکترولیت جدید در یک باتری سدیم-فلز (SMB) آزمایش شد و نتایج بسیار امیدوارکنندهای به دست آمد:
باتری بیش از ۵۰۰۰ ساعت در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد کارکرد پایدار داشت.
پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، بیش از ۹۱ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد.
این سطح از کارایی برای استفاده در ذخیرهسازی انرژی در مقیاس شبکهای یا حتی پشتیبانی از کسبوکارهای کوچک و متوسط یک دستاورد مهم محسوب میشود.
چنگ ژانگ، رهبر گروه تحقیقاتی AIBN، تأکید کرد: «این نوع عملکرد بلندمدت، کلید توسعه ذخیرهسازی انرژی در سطح شبکه است.»
رفع یکی از بزرگترین مشکلات ایمنی باتریها
یکی از مهمترین چالشهای باتریهای لیتیوم-یون و حتی سدیمی، الکترولیت مایع قابل اشتعال است. این مایعات در صورت گرم شدن بیش از حد میتوانند منجر به آتشسوزی شوند؛ مشکلی که در آتشسوزی باتری خودروهای برقی و اسکوترهای برقی بارها دیدهایم.
علت اصلی این خطر، تشکیل دندریتها است. این ساختارهای سوزنیشکل از جنس فلز میتوانند به مرور زمان رشد کرده و موجب اتصال کوتاه و انفجار باتری شوند. ژانگ توضیح داد که الکترولیتهای مایع پس از چرخههای شارژ متعدد ناپایدار میشوند و همین ناپایداری باعث رشد دندریت و کاهش ایمنی میگردد. الکترولیت جامد جدید با ساختار مهندسیشدهاش جلوی این مشکل را گرفته است.
راز عملکرد بالا؛ ساختار مهندسیشده در مقیاس نانو
ژو چن، دانشجوی دکترای این پروژه توضیح داد که راز این موفقیت در طراحی ساختار داخلی ماده است. محققان این ماده را به صورت یک ساختار مکعبی مرکزپر (body-centered cubic) مهندسی کردند. این چینش کریستالی باعث ایجاد تونلهای میکروسکوپی میشود که مسیر حرکت یونهای سدیم را هموار میکند.
به گفته ژو چن: «این طراحی به یونهای سدیم اجازه میدهد با همان نرمی و کارایی که در باتریهای لیتیومی حرکت میکنند، جابهجا شوند؛ ضمن اینکه خطر رشد دندریتها نیز به شدت کاهش مییابد.»
گامهای بعدی؛ از آزمایشگاه تا تجاریسازی
اگرچه نتایج در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد بسیار موفقیتآمیز بوده، اما چالش اصلی اکنون دستیابی به عملکرد مشابه در دمای اتاق است. این موضوع برای کاربردهای واقعی، از ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر گرفته تا استفاده در وسایل نقلیه برقی، ضروری خواهد بود.
محققان جهان نیز همزمان در حال تلاش برای پیشرفتهای دیگر هستند. برای نمونه:
اخیراً پژوهشی نشان داده که باتریهای سدیم حالت جامد میتوانند در دمای اتاق و حتی زیر صفر درجه نیز کارایی خود را حفظ کنند.
در مطالعهای دیگر توسط دانشگاه علوم توکیو، محققان با دوپینگ کاتد سدیم-یون با اسکاندیم توانستند پایداری چرخهای را افزایش دهند. در این آزمایش، یک سلول سکهای پس از ۳۰۰ چرخه شارژ-دشارژ، ۶۰ درصد از ظرفیت خود را نگه داشت.
به گزارش IE، باتریهای سدیم حالت جامد، با توجه به فراوانی و ارزان بودن سدیم، میتوانند جایگزینی جدی برای فناوری لیتیوم-یون شوند. پیشرفت اخیر محققان دانشگاه کوئینزلند نشان میدهد که با طراحی دقیق الکترولیت جامد، میتوان به باتریهایی دست یافت که هم ایمنتر هستند و هم طول عمر بالاتری دارند.
با کارکرد بیش از ۵۰۰۰ ساعت در دمای بالا و حفظ ۹۱ درصد ظرفیت پس از ۱۰۰۰ چرخه، این فناوری یک گام بزرگ به سمت تجاریسازی است. اگر محققان بتوانند همین سطح عملکرد را در دمای اتاق نیز به دست آورند، راه برای استفاده گسترده این باتریها در ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر و حملونقل برقی هموار خواهد شد.
