ابداع باتری بر پایه آب با چگالی انرژی بالا و چرخه عمر طولانی

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از اینترستینگ اینجینیرینگ، دانش‌‎پژوهان چینی نوعی باتری بر پایه آب ساخته‌اند که در مقایسه با باتری‌های لیتیومی غیرآبیِ بسیار قابل اشتعال، ایمن‌تر و کم‌مصرف‌تر است. بر اساس اعلام مجریان این طرح، این باتری‌های آبی جدید دو برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یون رایج، چگالی انرژی خواهند داشت و این قابلیت را دارند که صنعت خودرو‌های الکتریکی را متحول کنند.

همچنین، باتری‌های آبی از آب به عنوان حلال برای الکترولیت‌ها استفاده می‌کنند که ایمنی آنها را افزایش می‌دهند. باتری‌های لیتیوم یونی غیرآبی معمولی دارای چگالی انرژی بالایی هستند، اما به دلیل وجود الکترولیت‌های آلی قابل اشتعال که به باتری اجازه شارژ و تخلیه را می‌دهد ایمنی مطلوبی ندارند.

از سویی، باتری‌های آبی نیز به دلیل حلالیت محدود الکترولیت و ولتاژ پایین باتری، عموما چگالی انرژی کمتری دارند. 

اکنون، محققان در چین یک باتری آبی با چگالی بالا بر اساس انتقال چند الکترونی هالوژن ساخته اند.

یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور «لی زیانفنگ» «LI Xianfeng» از مؤسسه فیزیک شیمی دالیان (DICP) آکادمی علوم چین (CAS) یک کاتد انتقال چند الکترونی را بر اساس برُم و ید ابداع کرده اند. در آزمایش باتری کامل، این کاتد به ظرفیت ویژه بیش از Ah/L ۸۴۰ و چگالی انرژی تا Wh/L ۱۲۰۰ بر اساس کاتولیت (آب فعال شده) دست یافته است.

استفاده از محلول مخلوط هالوژن

برای بهبود چگالی انرژی باتری‌های آبی، محققان از محلول مخلوط هالوژن از یون‌های یدید (I-) و یون‌های برمید (Br-) به عنوان الکترولیت استفاده کردند. آنها یک واکنش انتقال چند الکترونی را توسعه داده و I- را به عنصر ید (I۲) و سپس به یدات (IO۳-) منتقل کردند.

محققان می‌گویند در طول فرآیند شارژ، I- در سمت مثبت به IO۳- اکسید شد و H+ تولید شده به شکل یک الکترولیت پشتیبان به سمت منفی هدایت شد.طی فرآیند تخلیه، H+ از سمت مثبت هدایت شده و IO۳- به I- کاهش یافت.
فرآیند
کاتد انتقال چند الکترونی توسعه یافته دارای ظرفیت مشخص Ah/L ۸۴۰ بود. با ترکیب کاتد با Cd فلزی برای تشکیل یک باتری کامل، محققان به چگالی انرژی تا Wh/L ۱۲۰۰ بر اساس کاتولیت توسعه یافته دست یافتند.

به گفته محققان، Br- اضافه شده به الکترولیت می‌تواند برمید ید قطبی (IBr) را در طول فرآیند شارژ تولید کند که واکنش با H۲O را برای تشکیل IO۳- تسهیل می‌کند.

در طول تخلیه، IO۳- توانست Br- را به Br۲ اکسید کند و در واکنش الکتروشیمیایی برای اجرای تخلیه برگشت پذیر و سریع IO۳- شرکت کرد؛ بنابراین، واسطه برمید تشکیل شده در طول فرآیند شارژ و تخلیه، فرآیند واکنش را بهینه کرد و به طور موثر انرژی جنبشی و برگشت پذیری واکنش الکتروشیمیایی را بهبود بخشید.

افزایش چرخه عمر باتری‌ها تا ۱۰۰۰ چرخه 

هنگامی که محققان الکترولیت خود را با یک آند وانادیوم آزمایش کردند، دریافتند که چرخه عمر باتری‌ها می‌تواند تا هزار چرخه افزایش یابد که پایداری قابل توجهی را نشان می‌دهد. به گفته آن‌ها چگالی انرژی باتری‌های آبی جدید حتی از برخی مواد الکترود جامد فراتر رفته و می‌تواند از نظر هزینه با باتری‌های لیتیومی رایج قابل مقایسه باشد.

بر اساس ادعای این دانشمندان، این پژوهش نشان دهنده قابلیت توسعه باتری‌های آبی با چگالی انرژی بالاست و این یک گزینه برای توسعه سیستم‌های ذخیره سازی انرژی در مقیاس شبکه و حتی وسایل نقلیه الکتریکی است.

پروفسور لی می‌گوید: این مطالعه ایده جدیدی را برای طراحی باتری‌های آبی با چگالی بالا ارائه می‌دهد و ممکن است کاربرد باتری‌های آبی را در زمینه باتری‌های قدرت (باتری‌های برقی) گسترش دهد.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nature Energy منتشر شده است.