باتری‌های نسل بعدی برای تامین انرژی طولانی‌مدت می‌توانند ارگانیک و بدون کبالت باشند

در تغییر به منابع انرژی “سبزتر”، تقاضا برای باتری های لیتیوم یون قابل شارژ در حال افزایش است. با این حال، کاتدهای آنها معمولاً حاوی کبالت هستند – فلزی که استخراج آن هزینه های زیست محیطی و اجتماعی بالایی دارد. اکنون، محققان در ACS Central Science گزارش می دهند که یک ماده کاتدی بر پایه کربن فراوان در زمین را ارزیابی می کنند که می تواند جایگزین کبالت و سایر فلزات کمیاب و سمی شود بدون اینکه عملکرد باتری لیتیوم یونی را به خطر بیندازد.

امروزه باتری‌های لیتیوم یون انرژی همه چیز را از تلفن‌های همراه گرفته تا لپ‌تاپ و خودروهای الکتریکی تامین می‌کنند. یکی از عوامل محدودکننده برای تحقق یک تغییر جهانی به سمت انرژی تولید شده توسط منابع تجدیدپذیر – به ویژه برای گذار از خودروهای بنزینی به وسایل نقلیه الکتریکی – کمبود و دشواری استخراج فلزات مانند کبالت، نیکل و منیزیم است. که در تولید کاتد باتری های قابل شارژ استفاده می شوند. محققان قبلی کاتدهایی را از مواد حاوی کربن فراوانتر و کم‌هزینه‌تر، از جمله ترکیبات آلی گوگرد و کربونیل ساخته‌اند، اما این نمونه‌های اولیه نمی‌توانند با انرژی خروجی و پایداری باتری‌های لیتیوم یون سنتی مطابقت داشته باشند.

بنابراین، Mircea Dincǎ و همکارانش می‌خواستند ببینند که آیا سایر مواد کاتدی مبتنی بر کربن می‌توانند موفق‌تر باشند یا خیر. آنها ممکن است یک گزینه مناسب در بی تترا آمینو بنزوکینون (TAQ) پیدا کرده باشند. مولکول های TAQ ساختارهای لایه لایه حالت جامد را تشکیل می دهند که به طور بالقوه می توانند با عملکرد کاتد سنتی مبتنی بر کبالت رقابت کنند.

 

تیم Dincǎ با تکیه بر کار قبلی خود که اثربخشی TAQ را به عنوان یک ماده ابرخازن نشان می داد، این ترکیب را در یک کاتد برای باتری های لیتیوم یون آزمایش کردند. برای بهبود پایداری دوچرخه سواری و افزایش چسبندگی TAQ به جمع کننده جریان فولاد ضد زنگ کاتد، مواد حاوی سلولز و لاستیک را به کاتد TAQ اضافه کردند. در نمایش اثبات مفهوم محققان، کاتد کامپوزیتی جدید بیش از ۲۰۰۰ بار به طور ایمن چرخید، چگالی انرژی بالاتر از اکثر کاتدهای مبتنی بر کبالت را تحویل داد و در مدت کمتر از ۶ دقیقه دارای بار شد. کاتدهای مبتنی بر TAQ قبل از اینکه در بازار ظاهر شوند نیاز به آزمایش‌های بیشتری دارند، اما محققان خوش‌بین هستند که می‌توانند باتری‌های پرانرژی، طولانی‌مدت و شارژ سریع مورد نیاز برای کمک به سرعت بخشیدن به انتقال جهانی به آینده انرژی‌های تجدیدپذیر بدون کبالت و نیکل را فعال کنند.

مشاهده منبع مقاله

 

باتری های بدون کبالت می توانند خودروهای آینده را تامین کنند

شیمیدانان یک کاتد باتری مبتنی بر مواد آلی ساختند که می تواند اتکای صنعت خودروهای الکتریکی به فلزات کمیاب را کاهش دهد.

بسیاری از خودروهای برقی با باتری‌هایی کار می‌کنند که حاوی کبالت هستند – فلزی که هزینه‌های مالی، زیست‌محیطی و اجتماعی بالایی دارد.

محققان MIT اکنون یک ماده باتری طراحی کرده اند که می تواند راه پایدارتری برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی ارائه دهد. باتری جدید لیتیوم یونی به جای کبالت یا نیکل (فلز دیگری که اغلب در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود) یک کاتد مبتنی بر مواد آلی دارد.

در یک مطالعه جدید، محققان نشان دادند که این ماده که می‌تواند با هزینه بسیار کمتری نسبت به باتری‌های حاوی کبالت تولید شود، می‌تواند جریان الکتریکی را با نرخی مشابه باتری‌های کبالت هدایت کند. به گفته محققان، باتری جدید همچنین ظرفیت ذخیره سازی قابل مقایسه ای دارد و می تواند سریعتر از باتری های کبالت شارژ شود.

Mircea Dincǎ، W.M می‌گوید: «من فکر می‌کنم این ماده می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد زیرا واقعاً خوب کار می‌کند. Keck استاد انرژی در MIT. “این در حال حاضر قابل رقابت با فن آوری های فعلی است، و می تواند بسیاری از هزینه ها، درد و مسائل زیست محیطی مربوط به استخراج فلزاتی را که در حال حاضر به باتری ها وارد می شوند، صرفه جویی کند.”

 

Dincǎ نویسنده ارشد این مطالعه است که امروز (۱۸ ژانویه ۲۰۲۴) در مجله ACS Central Science منتشر شده است. Tianyang Chen PhD ’23 و Harish Banda، فوق دکترای سابق MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند. نویسندگان دیگر عبارتند از Jiande Wang، یک فوق دکترای MIT. جولیوس اوپنهایم، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT؛ و الساندرو فرانچسکی، محقق دانشگاه بولونیا.

 

جایگزین های کبالت

بیشتر خودروهای الکتریکی توسط باتری‌های لیتیوم یونی تغذیه می‌شوند، نوعی باتری که زمانی شارژ می‌شود که یون‌های لیتیوم از یک الکترود با بار مثبت به نام کاتد به یک الکترود منفی به نام آند جریان می‌یابند. در اکثر باتری‌های لیتیوم یونی، کاتد حاوی کبالت است، فلزی که پایداری و چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهد.

با این حال، کبالت دارای معایب قابل توجهی است. یک فلز کمیاب، قیمت آن می تواند به شدت در نوسان باشد، و بسیاری از ذخایر کبالت جهان در کشورهای بی ثبات سیاسی قرار دارند. استخراج کبالت شرایط کاری خطرناکی را ایجاد می کند و زباله های سمی تولید می کند که زمین، هوا و آب اطراف معادن را آلوده می کند.

باتری‌های کبالت می‌توانند انرژی زیادی را ذخیره کنند، و همه ویژگی‌هایی را دارند که مردم از نظر عملکرد به آن‌ها اهمیت می‌دهند، اما این مسئله را دارند که به طور گسترده در دسترس نیستند، و قیمت تمام شده آن در نوسان است. دینک می‌گوید: نسبت به بسیاری از خودروهای برقی در بازار مصرف، مطمئناً گران‌تر می‌شوند.

به دلیل معایب فراوان کبالت، تحقیقات زیادی برای توسعه مواد جایگزین باتری انجام شده است. یکی از این مواد لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) است که برخی از خودروسازان شروع به استفاده از آن در خودروهای الکتریکی کرده اند. اگرچه LFP هنوز از نظر عملی مفید است، اما تنها حدود نیمی از چگالی انرژی باتری‌های کبالت و نیکل را دارد.

یکی دیگر از گزینه های جذاب، مواد آلی هستند، اما تاکنون اکثر این مواد قادر به مطابقت با رسانایی، ظرفیت ذخیره سازی و طول عمر باتری های حاوی کبالت نبوده اند. به دلیل رسانایی کم، چنین موادی معمولاً باید با چسب‌هایی مانند پلیمرها مخلوط شوند که به آنها در حفظ شبکه رسانا کمک می‌کند. اینها که حداقل ۵۰ درصد مواد کلی را تشکیل می دهند، ظرفیت ذخیره سازی باتری را کاهش می دهند.

حدود شش سال پیش، آزمایشگاه Dincǎ شروع به کار بر روی پروژه‌ای کرد که توسط لامبورگینی تامین مالی شد تا یک باتری ارگانیک تولید کند که می‌توان از آن برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی استفاده کرد. دینک و شاگردانش در حین کار بر روی مواد متخلخل که تا حدی آلی و بخشی غیرآلی بودند، متوجه شدند که یک ماده کاملاً آلی که ساخته بودند ظاهر شد که ممکن است رسانایی قوی باشد.

این ماده از لایه های زیادی از TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone) تشکیل شده است، یک مولکول کوچک آلی که شامل سه حلقه شش ضلعی ذوب شده است. این لایه ها می توانند در هر جهت به سمت بیرون گسترش یافته و ساختاری شبیه گرافیت را تشکیل دهند. درون مولکول‌ها گروه‌های شیمیایی به نام کینون‌ها که مخازن الکترون هستند و آمین‌ها وجود دارند که به مواد کمک می‌کنند تا پیوندهای هیدروژنی قوی تشکیل دهند.

این پیوندهای هیدروژنی مواد را بسیار پایدار و همچنین بسیار نامحلول می کند. این نامحلول بودن مهم است زیرا از حل شدن مواد در الکترولیت باتری جلوگیری می کند، همانطور که برخی از مواد آلی باتری انجام می دهند و در نتیجه طول عمر آن را افزایش می دهد.

Dincǎ می گوید: “یکی از روش‌های اصلی تخریب مواد آلی این است که آنها به سادگی در الکترولیت باتری حل می‌شوند و به طرف دیگر باتری می‌روند و اساساً یک اتصال کوتاه ایجاد می‌کنند. اگر مواد را کاملاً نامحلول کنید، این فرآیند انجام نمی‌شود. بنابراین ما می توانیم به بیش از ۲۰۰۰ چرخه شارژ با حداقل تخریب برویم.”

 

عملکرد قوی

آزمایش‌های این ماده نشان داد که رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی آن با باتری‌های سنتی حاوی کبالت قابل مقایسه است. همچنین باتری‌های دارای کاتد TAQ سریع‌تر از باتری‌های موجود شارژ و دشارژ می‌شوند که می‌تواند سرعت شارژ خودروهای الکتریکی را افزایش دهد.

برای تثبیت مواد آلی و افزایش توانایی آن در چسبیدن به کلکتور جریان باتری که از مس یا آلومینیوم ساخته شده است، محققان مواد پرکننده مانند سلولز و لاستیک را اضافه کردند. این پرکننده ها کمتر از یک دهم کامپوزیت کلی کاتد را تشکیل می دهند، بنابراین ظرفیت ذخیره سازی باتری را به میزان قابل توجهی کاهش نمی دهند.

این پرکننده ها همچنین طول عمر کاتد باتری را با جلوگیری از ترک خوردن آن هنگام جریان یون های لیتیوم به داخل کاتد در هنگام شارژ شدن باتری، افزایش می دهند.

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت این نوع کاتد، یک پیش ساز کینون و یک پیش ساز آمین است که در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس بوده و در مقادیر زیادی به عنوان مواد شیمیایی کالا تولید می شود. محققان تخمین می زنند که هزینه مواد مونتاژ این باتری های آلی می تواند حدود یک سوم تا یک دوم هزینه باتری های کبالت باشد.

لامبورگینی مجوز ثبت اختراع این فناوری را صادر کرده است. آزمایشگاه Dincǎ قصد دارد به توسعه مواد باتری جایگزین ادامه دهد و در حال بررسی جایگزینی احتمالی لیتیوم با سدیم یا منیزیم است که ارزان‌تر و فراوان‌تر از لیتیوم هستند.

مشاهده منبع مقاله