تامین انرژی نسل بعدی باتری‌های قابل شارژ با پوسته خرچنگ

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، هر کسی که تا به حال از خوردن پا‌های خرچنگ تازه یا دم خرچنگ لذت برده است، می‌تواند ثابت کند که عبور از پوسته‌های سخت آن‌ها چقدر دشوار است. اما به جای دور انداختن آنها، دانشمندان به طور فزاینده‌ای به دنبال اسکلت بیرونی این حیوان برای پزشکی و بیوتکنولوژی جدید هستند.

بیشتر علاقه‌ها بر روی کیتوزان متمرکز شده است، مشتقی از کیتین پلیمر پلی ساکاریدی که به وفور در پوسته سخت پوستان، اسکلت بیرونی حشرات و دیواره سلولی قارچ وجود دارد. اما اکنون دانشمندان کشف کرده‌اند که بازگرداندن زباله‌های پوسته به کربن سخت ممکن است بتواند بخش کلیدی مدار الکتریکی باتری‌های قابل شارژ مبتنی بر سدیم را تشکیل دهد، که جایگزینی پایدار برای فناوری لیتیوم فعلی است.

محققان دریافتند که تولید کربن سخت از پوسته سخت پوستان این پتانسیل را دارد که به عنوان آند (الکترود منفی) برای باتری‌های یون سدیم کار کند. آن‌ها با گرم کردن پوسته‌ها تا دمای بیش از ۱۰۰۰ درجه فارنهایت (۵۳۸ درجه سانتیگراد)، پوسته را به کربن تبدیل کردند و آن را به محلولی از سولفید قلع (SnS۲) یا سولفید آهن (FeS۲) اضافه کردند. این فرآیند یک آند یون سدیم یا الکترود مثبت باتری را تشکیل داد.

باتری‌های یون سدیم (SIB) یک فناوری نوظهور و جایگزین پایدار برای باتری‌های لیتیوم یون (LIBs) هستند. اگرچه این باتری‌ها از نظر شیمیایی شبیه باتری لیتیوم است، اما یون‌های سدیم بزرگ‌تر هستند و به آند متفاوتی نسبت به یون‌های معمول گرافیت نیاز دارند. اینجاست که تیم یون چن، یو ژائو، هونگ بین لیو و تینگلی ما جایگزینی سازگار در خرچنگ‌ها پیدا کردند.

کربن این خرچنگ یک آند متخلخل، فیبری و با سطحی بزرگ ارائه می‌کند که رسانایی و توانایی انتقال یون‌های سدیم را افزایش می‌دهد. محققان دریافتند که در باتری مدل خود، هر دو کامپوزیت قلع و آهن دارای ظرفیت شارژ مجدد حداقل ۲۰۰ سیکل هستند. در حالی که این مقدار در قلمرو باتری لیتیومی وجود ندارد، به همین دلیل این یک گام مثبت به سمت فناوری باتری پایدارتر است.

سال گذشته، مجمع جهانی اقتصاد به بسیاری از مسائل پیرامون زنده ماندن معدن لیتیوم اشاره کرد و کمبود‌های احتمالی منابع محدود را در اوایل سال ۲۰۲۵ پیش‌بینی کرد. این موضوع با تأثیرات زیست‌محیطی آن، با هزینه بالای آب که استخراج لیتیوم نیاز دارد، تشدید می‌شود. با استفاده از آن در فناوری باتری EV که تقاضای زیادی را افزایش می‌دهد، مسابقه برای توسعه جایگزین‌های پایدار جدید ادامه دارد.

این مطالعه شش ماه پس از آن انجام شد که دانشمندان دریافتند که یک الکترولیت ژل مشتق شده از کیتوزان می‌تواند به باتری‌های روی انرژی کمک کند، همچنین ثابت شد که بسیار پایدارتر و بدون مواد شیمیایی خورنده و قابل اشتعال مانند آنچه در محلول‌های الکترولیت انتقال یون باتری لیتیومی موجود است.

پیش از این، کیتین و کیتوزان نقش کلیدی در رنگ‌های خود ترمیم شونده، ترانزیستور‌های بیوتکنولوژی، جایگزین‌های پلاستیکی، فیلتر‌های ویروس آنفولانزا و دارو‌های ضد ویروسی داشته اند. از طرف دیگر، دانشمندان به سختی تلاش می‌کنند تا جایگزین‌هایی برای منبع مشکل‌ساز لیزات آمیبوسیت لیمولوس (LAL) از خون خرچنگ نعل اسبی بیابند، که برای بیش از ۴۰ سال بخشی جدایی‌ناپذیر از توسعه واکسن‌های ایمن و سایر مواد تزریقی بوده است.

کربن خرچنگ را می‌توان صرفاً از محصولات جانبی ایجاد کرد، که این تیم به‌عنوان تأثیر کمتری بر جمعیت حیوانات، علاوه بر مزایای زیست‌محیطی گسترده‌تر دور شدن از لیتیوم، می‌بیند. همانطور که هزینه مواد خام لیتیوم افزایش می‌یابد، جایگزین اقتصادی‌تر نیز می‌شود.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان کردند: «این تحقیق مسیری کارآمد برای استفاده از مواد خام کم‌هزینه برای ساخت باتری‌های سدیم یونی با انرژی ویژه فراهم می‌کند».

این مطالعه در مجله ACS Omega منتشر شده است.