۱۰۰۰٪ تفاوت: ظرفیت ذخیره سازی عمده در باتری های مبتنی بر آب پیدا شد

محققان تگزاس A&M افزایش قابل توجهی در ظرفیت ذخیره سازی الکترودهای باتری مبتنی بر آب یافته اند.

دانشمندان دانشگاه تگزاس A&M تفاوت ۱۰۰۰ درصدی را در ظرفیت ذخیره سازی الکترودهای باتری بدون فلز و مبتنی بر آب کشف کرده اند.

باتری‌های مبتنی بر آب بدون فلز نسبت به باتری‌هایی که از کبالت در شکل لیتیوم یونی خود استفاده می‌کنند، منحصربه‌فرد هستند. تمرکز گروه تحقیقاتی بر روی این نوع باتری از تمایل به کنترل بیشتر بر زنجیره تامین داخلی ناشی می‌شود، زیرا کبالت و لیتیوم معمولاً از خارج از کشور تامین می‌شوند. علاوه بر این، شیمی ایمن‌تر باتری‌ها می‌تواند از آتش‌سوزی جلوگیری کند.

پروفسور مهندسی شیمی دکتر جودی لوتکنهاوس و استادیار شیمی دکتر دانیل تابور یافته های خود را در مورد باتری های بدون لیتیوم در Nature Materials منتشر کرده اند.

لوتکنهاوس گفت: «دیگر باتری آتش نمی‌گیرد زیرا مبتنی بر آب است. در آینده، اگر کمبود مواد پیش‌بینی شود، قیمت باتری‌های لیتیوم یونی بسیار بالا خواهد رفت. اگر این باتری جایگزین را داشته باشیم، می‌توانیم به این شیمی روی بیاوریم، جایی که عرضه بسیار پایدارتر است، زیرا می‌توانیم آنها را اینجا در ایالات متحده تولید کنیم و مواد لازم برای ساخت آنها در اینجا وجود دارد.»

لوتکنهاوس گفت: باتری های آبی از یک کاتد، یک الکترولیت و یک آند تشکیل شده اند. کاتدها و آندها پلیمرهایی هستند که می توانند انرژی را ذخیره کنند و الکترولیت آب مخلوط با نمک های آلی است. الکترولیت کلید هدایت یونی و ذخیره انرژی از طریق برهمکنش با الکترود است.

او گفت: «اگر یک الکترود در حین چرخه شارژ و دشارژ باتری بیش از حد متورم شود، نمی‌تواند الکترون‌ها را به خوبی هدایت کند و شما تمام عملکرد را از دست می‌دهید. “من معتقدم که بسته به انتخاب الکترولیت به دلیل اثرات تورم، ۱۰۰۰٪ تفاوت در ظرفیت ذخیره انرژی وجود دارد.”

طبق مقاله آنها، پلیمرهای رادیکال غیر مزدوج فعال ردوکس (الکترود) به دلیل ولتاژ تخلیه بالای پلیمرها و سینتیک ردوکس سریع، کاندیدهای امیدوارکننده ای برای باتری های آبی بدون فلز هستند. این واکنش به دلیل انتقال همزمان الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌های آب، پیچیده و قابل حل است.

به گفته محققان در این مقاله، ما ماهیت واکنش ردوکس را با بررسی الکترولیت‌های آبی با ویژگی‌های آشوب-/کیسموتروپی مختلف با استفاده از میکروبالانس کریستال کوارتز الکتروشیمیایی با نظارت بر اتلاف در محدوده‌های زمانی مختلف نشان می‌دهیم.

گروه تحقیقاتی تابور تلاش‌های تجربی را با شبیه‌سازی و تحلیل محاسباتی تکمیل کرد. شبیه‌سازی‌ها بینش‌هایی را در مورد تصویر در مقیاس مولکولی میکروسکوپی از ساختار و دینامیک ارائه کردند.

تئوری و آزمایش اغلب برای درک این مواد با هم همکاری می کنند. یکی از کارهای جدیدی که در این مقاله از نظر محاسباتی انجام می دهیم این است که ما در واقع الکترود را تا چندین سطح شارژ، شارژ می کنیم و می بینیم که محیط اطراف چگونه به آن واکنش نشان می دهد.

محققان به صورت ماکروسکوپی مشاهده کردند که آیا کاتد باتری در حضور انواع خاصی از نمک ها با اندازه گیری دقیق میزان آب و نمک وارد شده به باتری در حین کارکرد بهتر کار می کند یا خیر.

او گفت: «ما این کار را انجام دادیم تا آنچه را که به صورت تجربی مشاهده شده است توضیح دهیم. اکنون، ما می خواهیم شبیه سازی های خود را به سیستم های آینده گسترش دهیم. ما باید تئوری خود را در مورد نیروهایی که این نوع تزریق آب و حلال را هدایت می‌کنند تأیید می‌کردیم.»

با این فناوری ذخیره انرژی جدید، این یک حرکت رو به جلو برای باتری های بدون لیتیوم است. ما تصویر سطح مولکولی بهتری از آنچه باعث می‌شود برخی از الکترودهای باتری بهتر از سایرین کار کنند، داریم و این به ما شواهد قوی از اینکه در طراحی مواد به کجا پیش برویم، می‌دهد.

برای مشاهده منبع مقاله کلیک کنید.