صنعت باتری با فراوان‌ترین فلز زمین متحول می‌شود

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از سای تک دیلی، محققان دانشگاه ایالتی اورگان، آهن را به عنوان یک ماده کاتدی قابل دوام و پایدار برای باتری‌های لیتیوم یون معرفی می‌کنند که به طور بالقوه می‌تواند جایگزین مواد گران قیمتی مانند کبالت و نیکل شود. 

این نوآوری نویدبخش باتری‌هایی با چگالی انرژی بالاتر، هزینه‌های بسیار کمتر و ایمنی بیشتر است. فراوانی آهن، عرضه ثابت مواد اولیه را تضمین و این توسعه را به گامی حیاتی در جهت فناوری باتری پایدارتر تبدیل می‌کند.

مجریان این پژوهش می‌گویند توانسته اند واکنش پذیری فلز آهن که ارزان‌ترین کالای فلزی است تغییر دهند. الکترود آنها می‌تواند چگالی انرژی بالاتری نسبت به مواد کاتدی پیشرفته در وسایل نقلیه برقی ارائه دهد و از آنجایی که از آهن استفاده می‌کنند هزینه آن می‌تواند کمتر از یک دلار در هر کیلوگرم باشد (البته هنوز میزان اندکی نیکل و کبالت در باتری‌های لیتیوم یونی فعلی ضروری است).

در حال حاضر، کاتد نیمی از هزینه تولید یک سلول باتری لیتیوم یون را به خود اختصاص می‌دهد. کاتد‌های مبتنی بر آهن نه تنها می‌توانند هزینه‌ها را کاهش دهند بلکه ایمنی و پایداری باتری را نیز افزایش می‌دهند. با افزایش تقاضا برای باتری‌های لیتیوم یونی برای تامین انرژی خودرو‌های برقی، عرضه جهانی نیکل و کبالت در حال افزایش است و کمبود پیش بینی شده، تولید آینده را تهدید می‌کند.

همچنین، چگالی انرژی این عناصر در حال حاضر به سطح سقف آن افزایش یافته است. اگر بیشتر فشار داده شود، اکسیژن آزاد شده در طول شارژ می‌تواند باعث احتراق باتری‌ها شود. علاوه بر این، کبالت سمی است، به این معنی که اگر از محل‌های دفن زباله خارج شود، می‌تواند اکوسیستم‌ها و منابع آب را آلوده کند.

باتری، انرژی را به شکل انرژی شیمیایی ذخیره می‌کند و از طریق واکنش‌ها آن را به انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تامین انرژی وسایل نقلیه، لپ تاپ‌ها و سایر دستگاه‌ها و ماشین‌ها تبدیل می‌کند. انواع مختلفی از باتری‌ها وجود دارد، اما اکثر آنها به همان روش اولیه کار می‌کنند و شامل اجزای اصلی یکسانی هستند.

یک باتری از دو الکترود آند و کاتد که معمولا از مواد مختلف ساخته شده اند و همچنین یک جداکننده و الکترولیت، یک محیط شیمیایی که امکان جریان بار الکتریکی را فراهم می‌کند، تشکیل شده است. در طول تخلیه باتری، الکترون‌ها از آند به یک مدار خارجی جریان می‌یابند و سپس در کاتد جمع می‌شوند.

در باتری لیتیوم یونی، همانطور که از نامش برمی آید، بار از طریق یون‌های لیتیوم حمل می‌شود، زیرا آنها از طریق الکترولیت از آند به کاتد در هنگام تخلیه حرکت می‌کنند و در طول شارژ مجدد دوباره برمی گردند.

محققان می‌گویند کاتد مبتنی بر آهن آنها با کمبود منابع محدود نخواهد شد و تا زمانی که خورشید به غول سرخ تبدیل نشود، آهن نیز تمام نمی‌شود.

آنها با طراحی یک محیط شیمیایی بر اساس ترکیبی از آنیون‌های فلوئور و فسفات - یون‌هایی که بار منفی دارند- واکنش پذیری آهن را در کاتد خود افزایش دادند. این ترکیب که به طور کامل به عنوان یک محلول جامد مخلوط شده است، امکان تبدیل برگشت پذیر را می‌دهد یعنی باتری می‌تواند دوباره شارژ شود.

دانش پژوهان نشان داده اند طراحی مواد با آنیون‌ها می‌تواند سقف چگالی انرژی باتری‌هایی را که پایدارتر هستند و هزینه کمتری دارند، بشکند. آنها نه از نمک گران‌تر همراه با آهن بلکه فقط از نمک‌هایی که در صنعت باتری و سپس پودر آهن وجود دارد استفاده کرده اند. برای قرار دادن این کاتد جدید در کاربرد‌های صنعتی، نیازی به تغییر هیچ چیز دیگری نیست - بدون آند‌های جدید، بدون خطوط تولید جدید، بدون طراحی جدید باتری. آنها فقط یک چیز را جایگزین می‌کنند: کاتد.

به گفته آنها هنوز باید کارایی ذخیره سازی بهبود یابد. در حال حاضر، تمام الکتریسیته‌ای که در طول شارژ به باتری وارد می‌شود، پس از تخلیه در دسترس نیست. هنگامی که این بهبود‌ها انجام شود، نتیجه، باتری‌ای خواهد بود که بسیار بهتر از باتری‌های کنونی کار می‌کند، در حالی که هزینه کمتری دارد و سبزتر است.

نتایج این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر شده است.