واحد خبر mobile.ir : پژوهشگران دانشگاه مریلند در ایالات متحده با همکاری آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش آمریکا، برای نخستین بار موفق به توسعه یک باتری لیتیوم-یون شدند که از محلول آب‌نمک به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. طبق ادعای سازندگان، این باتری – بدون آنکه خطر انفجار یا آتش‌گرفتگی برخی باتری‌های لیتیوم-یونی کنونی را داشته باشد – اختلاف پتانسیل 4 ولت را تأمین کرده و لذا می‌تواند در محصولات الکترونیکی خانگی مثل لپ‌تاپ به کار رود. نتایج تحقیقات این پروژه در قالب مقاله‌ای در روز چهارشنبه 6 سپتامبر 2017 (15 شهریور 1396) در ژورنال اینترنتی Joule منتشر شد. گفتنی است مشابه این باتری در سال 2015 هم ساخته شده بود، اما نتوانسته بود به ولتاژ مورد نظر برسد. در ادامه بیشتر با ساز و کار این باتری جدید آشنا می‌شویم.

رایج‌‌ترین نوع باتری‌، باتری‌های لیتیوم-یون هستند که در دو سر خود از رسانا‌های الکتریکی یا الکترود برخوردارند. مکانیسم شارژ یا دشارژ در این باتری‌ها با حرکت کردن یون‌ها از یک الکترود به الکترود دیگر محقق می‌شود. الکترولیت‌هایی هم که بین دو الکترود قرار دارند، به جابجایی یون‌ها کمک می‌کنند. در اکثر موارد، الکترولیت‌ها از مواد شیمیایی آلی تشکیل می‌شوند که به راحتی شعله‌ور می‌شوند. به گفته چانشنگ وانگ (Chunsheng Wang)، از مهندسین دانشگاه مریلند و یکی از نویسندگان مقاله مذکور، الکترولیت‌های بر پایه آب و ضد حریق نیز موجودند، اما از آنجا که آب زیاد واکنش‌پذیر نیست، این باتری‌های بی‌خطر، چندان قدرتمند نیستند. ولی همانطور که گفته شد، پژوهشگران اخیرا باتری لیتیوم-یونی را با الکترولیت‌های بر پایه آب ابداع کرده‌اند که ضمن بی‌خطر بودن، به ولتاژ 4 ولت رسیده است.

طبق گفته‌های کانگ ژو (Kang Xu)، از اعضای آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش آمریکا (متخصص در الکتروشیمی و علم مواد)، در گذشته اگر کسی به دنبال انرژی بالا بود، معمولا باتری لیتیوم-یون بر پایه غیر آب را انتخاب می‌کرد که البته چندان امن نبود و امکان آتش گرفتن داشت. اگر بی‌خطر بودن باتری اولویت داشت، شخص می‌توانست از باتری‌های بر پایه آب – مثل باتری نیکل-هیدرید فلز – استفاده کند، اما این باتری‌ها انرژی پایین‌تری دارند. وی در ادامه می‌افزاید: «اکنون ما نشان می‌دهیم که شما می‌توانید به طور همزمان به انرژی زیاد و امنیت بالا دست یابید.»

ساختار معمول یک باتری لیتیومی

پژوهش اخیر، در واقع ادامه مطالعه‌ای است که در سال 2015 انجام گرفت و طی آن باتری مشابهی با الکترولیت آبی و اختلاف پتانسیل 3 ولت تولید شد. اما پدیده‌ای به نام "چالش کاتدی" (cathodic challenge) مانع از آن شد که باتری به ولتاژهای بالاتر برسد. در چالش کاتدی، یک سوی باتری (ساخته‌شده از گرافیت یا فلز لیتیوم) توسط الکترولیت آبی، تخریب می‌شود. برای حل این مشکل و افزایش اختلاف پتانسیل از 3 به 4 ولت، چونگ‌یین یانگ (Chongyin Yang)، شخص اول این مطالعه و از دانشمندان دانشگاه مریلند، راه‌حل جدیدی ارائه کرد؛ وی یک پوشش ژله‌ای الکترولیتی پلیمری جدید طراحی کرد که می‌تواند به آند گرافیتی یا لیتیومی اعمال شود.

این پوشش آب‌گریز، مولکول‌های آب را از مجاورت سطح الکترود دفع کرده و سپس، با اولین شارژ باتری، تجزیه شده و یک اینترفاز پایدار را تشکیل می‌دهد (ترکیب نازکی از فرآورده‌های تجزیه‌شده که آند جامد را از الکترولیت مایع جدا می‌کند). اینترفاز مذکور، از آند در برابر واکنش‌های جانبی تضعیف‌کننده محافظت کرده و به باتری اجازه می‌دهد تا از مواد مطلوبی چون گرافیت یا فلز لیتیوم برای آند استفاده کند که در نتیجه سطح چگالی انرژی و توانایی باتری در ارائه چرخه‌های بیشتر، بهبود می‌یابد.

الکترولیت ژل‌مانند آبی-نمکی

به زبان ساده‌تر، در باتری‌های لیتیوم-یون با الکترولیت‌های آلی، بعضی از مواد شیمیایی – طی نخستین شارژ – به لایه‌ای جامد و محافظ در سطح الکترود، تجزیه می‌شوند. به این لایه SEI یا "اینترفاز الکترولیت جامد" گفته می‌شود. الکترولیت‌های بر پایه آب معمولا فاقد SEI هستند، زیرا آب تجزیه‌شونده هیچ یک از این مواد شیمیایی را (برای تشکیل لایه) نمی‌سازد. اما تیم پژوهشگران این مطالعه، موفق شدند الکترولیتی بر پایه آب تولید کنند که از غلظت نمک بالایی برخوردار بوده و توانایی ایجاد SEI را دارد.

چانشنگ وانگ، از پژوهشگران این پروژه و استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی، می‌گوید: «نوآوری کلیدی در اینجا، ساخت ژل مناسبی است که می‌تواند مانع از تماس آب با آند شده تا آب تجزیه نشود و [همچنین این ژل] می‌تواند اینترفاز مناسب را برای عملکرد بالای باتری ایجاد کند.»

افزودن پوشش ژله‌ای از یک طرف میزان امنیت باتری را (نسبت به سایر باتری‌های لیتیوم-یونی غیرآبی) بالا می‌برد و از طرف دیگر چگالی انرژی این باتری جدید را (در مقایسه با دیگر باتری‌های لیتیوم-یونی بر پایه آب) افزایش می‌دهد. نکته جالب اینجاست که حتی در صورت آسیب دیدن لایه اینترفاز (مثلا به علت سوراخ شدن بدنه باتری)، این لایه خیلی آرام با آند لیتیومی یا گرافیتی وارد واکنش شده و از دود کردن، آتش گرفتن یا انفجار باتری جلوگیری می‌کند. طبق ادعای سازندگان باتری، این ویژگی در انحصار این باتری جدید است، چرا که در یک باتری آسیب‌دیده معمولی، تماس مستقیم فلز با الکترولیت منجر به حادثه خواهد شد.

در حال حاضر، قدرت و چگالی انرژی این باتری جدید برای مصارف تجاری مناسب است، اما چند تغییر در جهت بهبود باتری، قدرت رقابت آن را با سایر باتری‌ها بیشتر می‌کند. پژوهشگران قصد دارند تعداد چرخه‌های عملکرد کامل باتری را افزایش داده و هزینه‌های مواد به کار رفته در آن را تا جای ممکن کاهش دهند. به گفته وانگ، در حال حاضر، صحبت از 50 تا 100 چرخه است، اما گروه پژوهشگران قصد دارند این عدد را به 500 و حتی بیشتر برسانند.

بنا بر اظهار پژوهشگران، دستکاری الکتروشیمیایی برای رسیدن به اختلاف پتانسیل 4 ولت، در تکنولوژی باتری و فراتر از آن، اهمیت خاصی دارد. ژو می‌گوید: «این نخستین باری است که ما توانستیم آندهای واکنش‌پذیری مثل گرافیت و لیتیوم را در واسطه‌ای بر پایه آب، تثبیت کنیم. این دریچه گسترده‌ای را روی بسیاری از موضوعات مختلف در الکتروشیمی باز می‌کند، از جمله باتری‌های سدیم-یون، باتری‌های لیتیوم-گوگرد، مواد شیمیایی چند یونی شامل روی و منیزیوم و حتی آبکاری و سنتز الکتروشیمیایی؛ ما هنوز به طور کامل اینها را کاوش نکرده‌ایم.»