ساخت باتری های جدید خودروهای الکتریکی بدون فلزات کمیاب

به گزارش ایسنا، بسیاری از خودروهای الکتریکی با باتری‌هایی کار می‌کنند که حاوی کبالت هستند. کبالت، فلزی است که هزینه‌های مالی، زیست‌محیطی و اجتماعی بالایی دارد.

به نقل از ام آی تی نیوز، پژوهشگران دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) اکنون یک ماده را برای ساخت باتری طراحی کرده‌اند که می‌تواند پایدارتری را برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی ارائه دهد. این باتری جدید لیتیوم-یونی به جای کبالت یا نیکل که دارای باتری های لیتیوم-یون استفاده می شود، یک کاتد از مواد آلی دارد.

این گروه پژوهشی این ماده را نشان داد که با هزینه بسیار کمتری نسبت به باتری‌های حاوی کبالت تولید می‌شود، می‌توان با میزان مشابه باتری‌های کبالت هدایت کند. به گفته پژوهشگران، باتری‌های جدید ذخیره‌سازی قابل مقایسه هستند و می‌توانند سریع‌تر از باتری‌های کبالت شارژ شوند.

«میرچا دینکا» (Mircea Dincă) استاد انرژی در دانشگاه ام‌آی‌تی گفت: من معتقدم که این ماده می‌تواند بسیار باشد زیرا واقعاً خوب کار می‌کند. این ماده در حال حاضر با فناوری‌های کنونی قابل رقابت است و می‌تواند در کاهش هزینه‌ها و مشکلات زیست‌محیطی به فلزاتی که در حال حاضر در باتری‌ها استفاده می‌شوند، بسازند.

جایگزین های کبالت

بیشتر خودروهای الکتریکی از باتری های لیتیوم-یونی استفاده می کنند. این باتری‌ها زمانی شارژ می‌شوند که یونهای لیتیوم از یک الکترود با بار مثبت به نام کاتد، به یک الکترود منفی به نام آند جریان می‌یابند. در بیشتر باتری‌های لیتیوم-یونی، حاوی کبالت است و این فلز، پایداری و چگالی انرژی را می‌دهد.

با وجود این، کبالت معایب قابل توجه است. این یک فلز کمیاب است و قیمت آن می‌تواند به شدت در نوسان باشد. چه کبالت، شرایط کاری خطرناک را به وجود می‌آورد و گرم‌های سمی را می‌کند که به زمین، هوا و آب اطراف معادن می‌شوند.

دینکا گفت: باتری‌های کبالت می‌توانند انرژی زیادی را انجام دهند و همه ویژگی‌هایی را دارند که مردم از نظر عملکرد به آنها اهمیت می‌دهند، اما این مشکلات را می‌دهند که به طور خاص در بدن ذخیره می‌شوند، آنها همیشه در نوسان است و با انتقال به نسبت. بسیار بالاتر از وسایل نقلیه برقی در بازار مصرف، مطمئنا گرانتر می‌شوند.

به دلیل معایب فراوان کبالت، پژوهش‌های بسیاری برای توسعه مواد جایگزین انجام شده است. یکی از این مواد، «لیتیوم-آهن-فسفات» (LFP) است که برخی از خودروسازان، از آن در خودروهای الکتریکی آغاز شده استفاده می کنند. شرکت LFP از نظر عملی سودمند است اما تنها حدود نیمی از چگالی انرژی باتری‌های کبالت و نیکل را دارد.

یکی دیگر از گزینه‌های جذاب، مواد آلی هستند، اما بیشتر این مواد ممکن است امکان‌پذیر باشد، ظرفیت ذخیره‌سازی و طول عمر باتری‌ها را تامین کنند. به دلیل کم، چنین موادی معمولی باید با اتصال‌دهنده‌هایی مانند پلیمرها مخلوط شوند که به آنها در حفظ شبکه کمک می‌کند. این اتصال می‌دهند که حداقل ۵۰ درصد از کل مواد را می‌دهند، ظرفیت ذخیره‌سازی باتری را پایین می‌آورند.

آزمایشگاه دینکا حدود شش سال پیش، کار ساخت پروژه‌های را با بودجه «لامبورگینی» (لامبورگینی) آغاز کرد تا یک باتری آلی بسازد که می‌تواند آن را برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی استفاده کند. دینکا و دانشجویانش روی مواد متخلخل کار می‌کردند که تا حدی آلی و تا حدی غیرآلی بودند. آنها متوجه شدند که یک ماده کاملاً آلی ساخت آنها ممکن است یک رسای قوی باشد.

این ماده از لایه‌های زیادی از «بیس تترا آمینو بنزوکینون»((bis-tetraaminobenzoquinone یا (TAQ) تشکیل شده است که یک مولکول کوچک آلی شامل سه حلقه شش‌ضلعی است. درون مولکول‌ها، گروه‌های شیمیایی موسوم به «کینون» (Quinone) قرار دارند که مخزن الکترون‌ها هستند و «آمین‌ها» (آمین‌ها) که به مواد کمک می‌کنند تا پیوندهای هیدروژنی قوی را تشکیل دهند.

این پیوندهای هیدروژنی، مواد را بسیار پایدار و بسیار نامحلول می‌کنند. این نامحلول مهم است زیرا از حل شدن مواد در الکترولیت باتری جلوگیری می کند. این کاری است که برخی از مواد آلی باتری انجام می‌دهند و در نتیجه، طول عمر آن را بالا می‌برند.

دینکا: یکی از روش‌های اصلی تخریب مواد آلی این است که می‌توانند از طریق الکترولیت باتری حل شوند و یک اتصال کوتاه را ایجاد کنند. اگر مواد را کاملاً نامحلول کنیم، این اتفاق رخ نمی دهد. بدین ترتیب، می‌توانیم بیش از 200 چرخه شارژ را با کمترین خرابی داشته باشیم.

عملکرد قوی

آزمایش‌های صورت‌گرفته روی این ماده نشان دادند که رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی آن با باتری‌های سنتی حاوی کبالت قابل مقایسه است. همچنین، باتری‌های دارای کاتد TAQ سریع‌تر از باتری‌های موجود شارژ و شارژ می‌شوند. این قابلیت می‌تواند سرعت شارژ خودروهای الکتریکی را افزایش دهد.

برای تثبیت مواد آلی و افزایش دادن آنها به عامل جمع‌آوری باتری که از مس یا چسب ساخته می‌شود، پژوهشگران موادی مانند سلولز و لاستیک را اضافه کردند. این مواد کمتر از یک دهم کامپوزیت کلی کاتد را تشکیل می‌دهند. بنابراین، میزان ذخیره سازی باتری را با توجه به پایین نمی آورند. همچنین، این مواد با جلوگیری از ترک خوردن کاتد در جریان یافتن یونهای لیتیوم به داخل آن هنگام شارژ شدن باتری، طول عمر باتری کاتد را افزایش می‌دهند.

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت این نوع کاتد، یک پیش‌ساز کینون و یک پیش‌ساز آمین هستند که در حال حاضر به صورت تجاری در موقعیت‌هایی قرار می‌گیرند که می‌توانند تولید کنند. پژوهشگران تخمین می‌زنند که هزینه مواد مورد نیاز برای مونتاژ این باتری‌های آلی می‌تواند یک سوم تا یک دوم هزینه باتری‌های کبالت باشد.

آزمایشگاه دینکا قصد دارد به توسعه مواد تبدیل شود و در حال بررسی لیتیوم با سدیم یا منیزیم است که ارزان‌تر و زیادتر از لیتیوم هستند.

این پژوهش در مجله «ACS Central Science» به چاپ رسید.

انتهای پیام