توسعه باتری قطار و هواپیما از برنامه جدید استارت آپ‌ها

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، هرسام، استاد دانشگاه نورث وسترن و موسس استارت‌آپ ولکسیون (Volexion) آینده‌ای را تصور می‌کند که در آن باتری‌ها می‌توانند انرژی کامیون‌ها برای طی مسافت طولانی و قطار‌های باری و حتی هواپیما‌ها را تامین کنند.

هرسام می‌گوید: فکر می‌کنم هواپیما‌های باتری‌دار درآینده وارد بازار می‌شوند. اکنون پهپاد‌هایی داریم که با باتری کار می‌کنند. هواپیما‌های بدون سرنشین آشکارا با ۷۴۷ بسیار متفاوت بوده؛ اما گام مهمی در این مسیر هستند. کامیون‌های باتری‌دار اکنون در حال ساخت هستند. قطار‌ها و سپس هواپیما‌ها نیز با باتری کار خواهند کرد.

هیچ یک از این نوآوری‌های انقلابی با باتری‌های لیتیوم یونی که اکنون در بازار موجود هستند، اتفاق نمی‌افتد. باتری‌های فعلی نه تنها شارژ کافی برای تأمین انرژی خودرو‌های دوربرد را ندارند؛ بلکه ساعت‌ها طول می‌کشد تا دوباره شارژ شوند، به مرور زمان ظرفیت خود را از دست می‌دهند و وقتی خارج از محدوده پایداری خود قرار می‌گیرند حتی می‌توانند شعله‌ور شوند.

باتری‌های لیتیوم یونی از سه جزء تشکیل شده‌اند: آند (یون‌های لیتیوم را در هنگام شارژ نگه می‌دارد)، کاتد (یون‌های لیتیوم را در هنگام تخلیه نگه می‌دارد) و الکترولیت (یون‌های لیتیوم را انتقال می‌دهد). همان‌طور که باتری شارژ و تخلیه می‌شود، یون‌ها به عقب و جلو حرکت می‌کنند. هنگامی که باتری در حال استفاده است، یون‌ها از آند به کاتد می‌روند. هنگامی که باتری شارژ می‌شود، یون‌ها از کاتد به آند بر می‌گردند.

مشکلات معمولاً در سطح مشترک ناپایدار بین الکترولیت و کاتد رخ می‌دهد. برای دادن چگالی انرژی بالا به باتری، کاتد در ولتاژ‌های بالا کار می‌کند، ولتاژ‌های بالاتر از توان الکترولیت، الکترولیت را تخریب می‌کند و باعث ایجاد لایه‌ای در سطح کاتد می‌شود. این فیلم مانعی برای یون‌ها ایجاد می‌کند که تلاش می‌کنند به عقب و جلو حرکت کنند و باعث می‌شود ظرفیت باتری در طول زمان کم شود. اگر محفظه باتری آسیب ببیند، خرابی فاجعه بارتر از جمله آتش گرفتن باتری ممکن است رخ دهد.

هرسام اضافه کرد: این یک وضعیت ناپایدار است که در آن انواع واکنش‌های شیمیایی ناخواسته رخ می‌دهد. این واکنش‌های شیمیایی منجر به تجزیه الکترولیت شده و ورود و خروج لیتیوم به کاتد یا آند را سخت‌تر می‌کنند. فیلم روی سطح کاتد میزان ذخیره لیتیوم و سرعت شارژ و تخلیه را به خطر می‌اندازد. تخریب الکترولیت همچنین می‌تواند باعث مشکلات ایمنی شود که در تراکم انرژی بالا مورد نیاز برای کار با وسایل نقلیه بزرگ حتی شدیدتر می‌شود.

هرسام که متخصص مواد دو بعدی است، به این فکر می‌کرد که آیا می‌تواند با پوشاندن کاتد باتری با یک لایه محافظ گرافنی، تخریب ناخواسته را مهار کند. وقتی او این تکنیک را بررسی کرد، نتیجه چشمگیر بود.

روش او با کپسوله‌سازی موفقیت‌آمیز کاتد، منجر به تولید باتری پرانرژی شد که برد رانندگی خودرو‌های الکتریکی را افزایش می‌دهد، ایمنی را ارتقا می‌بخشد، پایداری را بهبود می‌بخشد و هزینه را کاهش می‌دهد. باتری هرسام نه تنها دو برابر باتری‌های معمولی دوام می‌آورد؛ بلکه در مقایسه با فناوری‌های پیشرفته ۳۰ درصد تراکم انرژی و ۴۰ درصد چگالی توان بیشتری دارد.

کاتد یک ماده یکپارچه نیست بلکه مجموعه‌ای از ذرات در ابعاد میکرونی است که به صورت یک لایه متراکم فشرده شده است. شاید در مهم‌ترین نوآوری خود، استارت آپ ولکسیون کشف کرده که چگونه هر ذره را با یک لایه از گرافن بپوشاند.

هرسام بیان کرد: به این ترتیب گرافن را دقیقاً در جایی که می‌خواهیم به کار گرفتیم. اگر مقدار زیادی گرافن در محلول وجود داشته باشد، روی هم جمع می‌شود و دانه‌های بزرگی را تشکیل می‌دهد. شما تا حد امکان گرافن کمتری می‌خواهید. در غیر این صورت، فقط وزن باتری را افزایش داده‌اید.