پژوهشگران آمریکایی با معرفی باتریهای جدید مبتنی بر فلز روی و آب، راهکاری نوین برای غلبه بر چالشهای هزینه و پایداری در ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر ارائه دادهاند. این فناوری امیدوارکننده میتواند با حل مشکل نوسان تولید برق در منابعی مانند خورشید و باد، اثربخشی سیستمهای انرژی پایدار را به طور چشمگیری افزایش دهد.
به گزارش سیناپرس، بررسی جدید پژوهشگران آمریکایی نشان میدهد باتریهای مبتنی بر آب از جنس روی میتوانند با موانعی که مدتهاست جلوی ذخیره انرژی تجدیدپذیر ارزان و پایدار را گرفتهاند، مقابله کنند.
فناوریهای انرژی تجدیدپذیر مانند سلولهای خورشیدی و توربینهای بادی در بسیاری از کشورهای جهان به طور فزایندهای در حال گسترش هستند. ذخیرهسازی قابل اعتماد برق تولیدشده توسط این دستگاهها به طوری که بتوان بعدا در زمان کمیاب بودن نور خورشید یا باد از آنها استفاده کرد، اثربخشی آنها را به عنوان راهبردهای انرژی پایدار بهبود میبخشد.
یک راهبرد امیدوارکننده برای ذخیره انرژی خورشیدی و بادی، استفاده از باتریهای فلزی روی-آب است. این باتریها کمهزینه، ایمن و سازگار با محیط زیست هستند. آنها انرژی را ذخیره و آزاد میکنند و از راهبردهای مبتنی بر آب و آندهای روی استفاده میکنند.
با وجود پتانسیل باتریهای روی، آنها هنوز به کارآیی مطلوب و ثبات بلندمدت دست نیافتهاند زیرا مولکولهای آب میتوانند در طول کار تجزیه شوند و ساختارهای کوچکی را به نام «دندریت» روی سطح الکترودهای روی تشکیل دهند که عملکرد باتری را کاهش میدهند.
پژوهشگران «دانشگاه مریلند»(UMD) و «آزمایشگاه ملی بروکهیون»(BNL) اخیرا محلولهای جدید الکترولیت آب را طراحی کردهاند که میتوانند به بهبود عملکرد باتریهای روی کمک کنند. این الکترولیتها، آب را با نمکهای با دقت انتخابشده ترکیب میکنند که به یونهای شارژ منفی (آنیونها) اجازه میدهد تا به یونهای روی نزدیکتر شوند و ساختار مولکولی را که در اطراف آندهای روی تشکیل میشود، تثبیت کنند.
«چونشنگ وانگ»(Chunsheng Wang) پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما الکترولیتهای آب در نمک را ابداع کردیم که پنجره ثبات الکتروشیمیایی الکترولیتهای آب را به ۳.۰ ولت گسترش داد و باتریهای روی را قادر به دستیابی به عمر چرخه طولانی کرد. با وجود این، الکترولیتهای آب در نمک هزینه و گرانروی را افزایش میدهند و میزان رسانایی یون را پایین میآورند. در این پژوهش، الکترولیتهای آب کمغلظت را توسعه دادیم که عملکرد مشابهی با آب در نمک دارند و با گرانروی کم، هزینه کم و رسانایی بالا همراه هستند.
الکترولیتهای جدید برای باتریهای روی
هدف اصلی پژوهش جدید دکتر «دژیان دونگ»(Dejian Dong) در گروه وانگ، طراحی الکترولیتهای جدیدی بود که بتوان از آنها برای افزایش عمر چرخه و کارآیی باتریهای روی بدون افزایش هزینههای تولید استفاده کرد. راهبردهای این گروه پژوهشی، حاوی آب و نمکهایی هستند که بر نحوه تعامل با یونهای روی تأثیر میگذارند.
دونگ توضیح داد: ما الکترولیتها را با آنیونهای پوشیدهشده از فلورین طراحی کردیم که نه تنها با روی، بلکه با مولکولهای آب اطراف در ساختار محلول ثانویه نیز تعامل دارند و یک پوشش محلول ثانویه را با پل آنیون تشکیل میدهند. این ساختار به محافظت از روی در برابر واکنشهای جانبی ناشی از آب کمک میکند، یک واکنش بین فازی پایدارتر را امکانپذیر میسازد و ویژگیهای حملونقل را حفظ میکند.
پژوهشگران دریافتند که الکترولیتهای آبی حاوی نمک، یک ساختار مولکولی پایدارتر را در اطراف روی تشکیل میدهند، تشکیل دندریتهای روی را کاهش میدهند و عملکرد کلی باتری را بالا میبرند.
پژوهشگران از الکترولیتهای تازه طراحیشده خود برای ایجاد باتریهای روی استفاده کردند و سپس، باتریها را در بررسیهای آزمایشگاهی ارزیابی کردند. آنها دریافتند که باتریها به کارآیی قابل توجه ۹۹.۹۹ درصد در بیش از ۱۰۰۰ چرخه عملیاتی و تراکم انرژی تا ۱۳۰ وات بر کیلوگرم میرسند.
این پژوهش، امکانات جدیدی را برای پیشرفت باتریهای روی باز میکند. راهبرد طراحی این گروه پژوهشی را میتوان به زودی برای ایجاد الکترولیتهای آب دیگری که حاوی غلظتهای مشابه نمک هستند، استفاده کرد.
وانگ گفت: پژوهش ما چشمانداز جدیدی را برای طراحی الکترولیت ارائه میدهد. یافتههای ما مسیری را برای حفظ همزمان رسانایی یونی بالا، هزینه کم و بهبود ثبات رابط پیشنهاد میکنند. این پژوهش به طور گستردهتر میتواند پیامدهای مهمی را برای طیف گستردهای از سیستمهای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی داشته باشد.
به نقل از ایسنا، الکترولیتهای آبی توسعهیافته توسط وانگ و همکارانش در آینده میتوانند تجاریسازی و استقرار باتریهای روی کمهزینه، ایمن و کارآمد را در مقیاس بزرگ تسهیل کنند. این باتریها میتوانند ذخیره انرژی تولیدشده توسط فناوریهای انرژی تجدیدپذیر را مقرونبهصرفهتر و قابل دسترس کنند.
این پژوهش در مجله «Nature Nanotechnology» به چاپ رسید.