باتری‌های نسل آینده شاید از چوب ساخته شوند
گروهی از پژوهشگران به روشی ابتکاری برای استفاده از سلولز چوب در ساخت الکترولیت باتری‌های آینده دست یافته‌اند که می‌تواند ظرفیت بالا را به همراه عمر زیاد ارائه دهد.
باتری‌های لیتیومی امروزی معمولا از یک الکترولیت مایع برای جابه‌جایی یون‌ها میان دو الکترود استفاده می‌کنند، اما دانشمندانی که به جایگزین‌های جامد برای باتری‌ها نگاه می‌کنند، قابلیت‌های هیجان‌انگیزی را در این حوزه می‌بینند.
به‌تازگی گروهی از پژوهشگران در یک مطالعه که در نشریه‌ی «نیچر» (Nature) منتشر شده است، از سلولز به‌دست آمده از چوب به‌عنوان پایه‌ی یکی از این الکترولیت‌های جامد استفاده کرده‌اند که به اندازه‌ی کاغذ نازک است و با انعطاف بالا به‌خوبی می‌تواند خم شود و در برابر تنش‌های ایجاد شده در چرخه‌ی باتری مقاومت داشته باشد.
یکی از کاستی‌های فناوری الکترولیت‌های استفاده شده در باتری‌های لیتیومی امروزی این است که حاوی مایعات فراوان هستند و در صورت اتصال کوتاه دستگاه، خطر آتش‌سوزی به همراه دارند و می‌توانند باعث تشکیل زائده‌های شاخک-مانند با نام دندریت شوند که عملکرد را به خطر می‌اندازند.
این در حالی است که الکترولیت‌های جامد را می‌توان از مواد غیرقابل اشتعال ساخت. آن‌ها همچنین دستگاه را کمتر مستعد تشکیل دندریت می‌کنند و ممکن است قابلیت‌های کاملا جدیدی را در معماری باتری ایجاد کنند.
طرحی از استفاده‌ی فیبریل سلولزی چوب در باتری‌های آینده و انعطاف‌پذیری آن
Credit: Hu lab/University of Maryland
یکی از این قابلیت‌های احتمالی مربوط به آند است، یکی از دو الکترود که در باتری‌های امروزی از ترکیب گرافیت و مس ساخته می‌شود. برخی از دانشمندان الکترولیت‌های جامد را به‌عنوان پله‌ای کلیدی برای ساخت باتری‌هایی می‌دانند که با آند کار می‌کنند و از فلز لیتیوم خالص ساخته شده‌اند. این ترکیب می‌تواند به شکستن گلوگاه چگالی انرژی کمک کند و باعث شود خودروها و هواپیماهای الکتریکی بدون نیاز به شارژ مجدد تا مسافت‌های طولانی‌تری سفر کنند.
بسیاری از الکترولیت‌های جامدی که تاکنون ساخته شده‌اند، از مواد سرامیکی بوده‌اند که در هدایت یون‌ها بسیار مؤثر هستند اما به دلیل ماهیت شکننده‌ی آن‌ها، در برابر تنش هنگام شارژ و تخلیه مقاومت خوبی ندارند. بنابراین دانشمندان دانشگاه براون و دانشگاه مریلند به دنبال جایگزینی برای این مواد بودند و از نانوفیبریل‌های سلولزی موجود در چوب به‌عنوان نقطه‌ی شروع استفاده کردند.
این لوله‌های پلیمری گرفته شده از چوب، با مس ترکیب شدند تا یک رسانای یونی جامد تشکیل دهند که رسانایی مشابه سرامیک‌ها و بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بهتر از دیگر رساناهای یون-پلیمری دارد.
به گفته‌ی تیم پژوهشی، چنین این رسانایی بالا به این دلیل است که افزودن مس بین زنجیره‌های پلیمری سلولزی فضایی را برای تشکیل «بزرگراه‌های وسی» (Ion Superhighways) ایجاد می‌کند و یون‌های لیتیوم را قادر می‌سازد تا با بازدهی بی‌سابقه‌ای حرکت کنند.
باتری‌های آینده برد خودروهای الکتریکی را افزایش خواهند داد.
Credit: Brown University
«لیانگ‌بینگ هو» (Liangbing Hu) یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «با ترکیب مس با نانوفیبریل‌های سلولز تک‌بعدی، نشان دادیم که سلولز معمولی عایق‌کننده‌ی یون، انتقال سریع‌تری نسبت به لیتیوم-یون در زنجیره‌های پلیمری ارائه می‌دهد. در حقیقت دریافتیم که این رسانای یونی به رکورد رسانایی یونی بالایی در بین تمام الکترولیت‌های پلیمری جامد دست یافته است.»
از سویی با توجه به اینکه این ماده به اندازه‌ی کاغذ نازک و انعطاف‌پذیر است، تنش‌های ناشی از چرخه‌ی باتری را بهتر تحمل می‌کند. به عقیده‌ی دانشمندان این نوع الکترولیت پایداری الکتروشیمیایی کافی هم برای قرار دادن یک آند لیتیوم-فلز و کاتدهای ولتاژ بالا دارد و همچنین می‌تواند به‌عنوان یک ماده‌ی چسبنده عمل کند که کاتدهای بسیار ضخیم را در باتری‌های با چگالی بالا بپوشاند.
«یو کی» (Yue Qi) دیگر نویسنده‌ی این مطالعه هم گفت: «یون‌های لیتیوم در این الکترولیت جامد آلی از طریق سازوکاری حرکت می‌کنند که معمولا در سرامیک‌های معدنی و غیرآلی یافت می‌شود و هدایت یونی بالایی را ممکن می‌سازد. استفاده از موادی که طبیعت فراهم می‌کند، تأثیر کلی تولید ساخت بر محیط زیست را هم کاهش خواهد داد.»
عکس کاور: نانوفیبریل‌های سلولز موجود در چوب می‌توانند پایه‌ی ساخت باتری‌های آینده باشند.
Credit: HayDmitriy/Depositphotos
منبع: New Atlas
