ساخت باتری کلسیمی پیشرفته با عملکرد بالا؛ رقیب جدی لیتیوم در راه است

پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ نوع تازه‌ای از باتری یون کلسیم ساخته‌اند که از الکترولیت‌های شبه‌جامد استفاده می‌کند. این طراحی جدید هم عملکرد باتری را بهتر می‌کند و هم از نظر زیست‌محیطی پایدارتر است و می‌تواند در ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر، خودروهای برقی و دیگر فناوری‌های پرمصرف نقش مهمی داشته باشد.

با رشد سریع سرمایه‌گذاری جهانی در انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشیدی و بادی، نیاز به باتری‌های بزرگ، مطمئن و پرظرفیت بیش از هر زمان دیگری افزایش یافته است. در حال حاضر بیشتر دستگاه‌ها، از تلفن همراه گرفته تا خودروهای برقی از باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌کنند. بااین‌حال، این فناوری با محدودیت‌هایی روبه‌رو است.

منابع لیتیوم محدود و استخراج آن هزینه‌بر و دارای پیامدهای زیست‌محیطی است، ضمن اینکه افزایش تقاضا می‌تواند به کمبود و گرانی این ماده منجر شود. علاوه بر این، ظرفیت ذخیره انرژی باتری‌های لیتیومی نیز محدودیت‌هایی دارد. به همین دلیل، دانشمندان به دنبال باتری‌های جدیدی هستند تا وابستگی به لیتیوم کاهش یابد و امنیت انرژی در آینده تضمین شود.

یکی از گزینه‌های امیدوارکننده، باتری‌های یون کلسیم است. کلسیم در پوسته زمین بسیار فراوان‌تر از لیتیوم است و روی کاغذ می‌تواند در محدوده ولتاژی مشابه باتری‌های لیتیومی کار کند. بااین‌حال، پیشرفت این فناوری با چالش‌های جدی روبه‌رو بوده است، زیرا حرکت یون‌های کلسیم در داخل باتری دشوار است و همین موضوع باعث افت عملکرد در طول زمان می‌شود و مانع رقابت این باتری‌ها با نمونه‌های تجاری لیتیوم-یون شده است.

برای حل مشکل، پژوهشگران ماده‌ای جدید برای بخش مهمی از باتری یعنی الکترولیت طراحی کردند. الکترولیت ماده‌ای است که یون‌ها را بین دو الکترود باتری جابه‌جا می‌کند و نقش حیاتی در سرعت شارژ، ظرفیت و عمر باتری دارد. آن‌ها از ساختارهایی به نام «چارچوب‌های آلی کووالانسی دارای فعالیت اکسایش–کاهش» استفاده کردند که ساختاری منظم و متخلخل دارند و درونشان حاوی کانال‌های بسیار ریزی است که یون‌ها می‌توانند از میانشان عبور کنند.

نسخه ساخته‌شده در پژوهش دارای گروه‌های کربونیل فراوان بود، در دمای اتاق رسانایی یونی بالایی نشان داد و توانایی مناسبی برای انتقال یون‌های کلسیم داشت. آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان دادند یون‌های کلسیم در مسیرهایی منظم و مشخص در داخل این ساختار حرکت می‌کنند و همین ویژگی باعث می‌شود یون‌ها سریع‌تر حرکت کنند و عملکرد باتری پایدارتر باشد. به زبان ساده، پژوهشگران نوعی بزرگراه در مقیاس نانو برای حرکت یون‌های کلسیم ساخته‌اند.

یونسوب کیم، پژوهشگر شیمی و نویسنده مسئول مطالعه می‌گوید: «نتایج نشان می‌دهد باتری‌های یون کلسیم می‌توانند به گزینه‌ای پایدار و قدرتمند برای آینده ذخیره انرژی تبدیل شوند. استفاده از مواد فراوان‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست می‌تواند به ساخت سامانه‌هایی برای ذخیره انرژی کمک کند که پاسخگوی نیازهای جهان در مسیر کاهش انتشار کربن باشند.»

پژوهش در ژورنال Advanced Science منتشر شده است.