توسط دانشمندان ژاپنی یک باتری هوای قابل شارژ کاملاً جامد (SSAB) ساخته اند که قابلیت شارژ مجدد دارد.
به گزارش تکناک، فلزات به طور سنتی به عنوان مواد فعال برای الکترودهای منفی در باتری ها عمل می کنند. با این حال، تغییر به سمت استفاده از مولکول‌های آلی فعال ردوکس مانند ترکیبات مبتنی بر کینون و آمین به عنوان الکترودهای منفی در باتریهای فلزی-هوا قابل شارژ، که دارای الکترودهای مثبت کاهش دهنده اکسیژن هستند، صورت گرفته است.
در اینجا پروتون ها و یون های هیدروکسید در واکنش های ردوکس شرکت می کنند. چنین باتری هایی عملکرد بالایی دارند، نزدیک به حداکثر ظرفیتی که از نظر تئوری ممکن است.
علاوه بر این، استفاده از مولکول‌های آلی فعال ردوکس در باتریهای هوای قابل شارژ، بر مشکلات مرتبط با فلزات، از جمله تشکیل ساختارهایی به نام «دندریت» غلبه می‌کند که بر عملکرد باتری تأثیر می‌گذارد، علاوه بر این تأثیر منفی بر محیط‌زیست دارد.
با این حال، این باتریها درست مانند باتریهای مبتنی بر فلز از الکترولیت های مایع استفاده می کنند، که نگرانی های ایمنی عمده ای مانند مقاومت الکتریکی بالا، اثرات شستشو و اشتعال پذیری ایجاد می کنند.
اکنون، در یک مطالعه جدید که اخیراً در Angewandte Chemie International Edition منتشر شده است، گروهی از محققان ژاپنی یک باتری‌هوای قابل شارژ کاملاً جامد (SSAB) ساخته و ظرفیت و دوام آن را بررسی کرده‌اند. این مطالعه توسط پروفسور کنجی میاتاکه و پروفسور کنیچی اوایزو از دانشگاه واسدا انجام شد.
محققان یک ماده شیمیایی به نام 2،5-دی هیدروکسی-1،4-بنزوکینون (DHBQ) و پلیمر آن با نام (2،5-دی هیدروکسی-1،4-بنزوکینون-3،6-متیلن) (PDBM) را به عنوان مواد فعال برای الکترود منفی به دلیل واکنش های ردوکس پایدار و برگشت پذیر آنها در شرایط اسیدی انتخاب کردند.
علاوه بر این، آنها از یک پلیمر رسانای پروتون به نام Nafion به عنوان الکترولیت جامد استفاده کردند و در نتیجه جایگزین الکترولیت های مایع معمولی شدند. Miyatake می‌گوید: تا جایی که من می‌دانم، هنوز هیچ باتری هوا مبتنی بر الکترودهای آلی و الکترولیت‌های پلیمری جامد ساخته نشده است.
پس از ساخت SSAB، محققان به طور آزمایشی عملکرد شارژ-دشارژ، ویژگی های سرعت و چرخه شارژ مجدد را ارزیابی کردند. آنها دریافتند که برخلاف باتریهای هوای معمولی که از الکترود منفی فلزی و الکترولیت مایع آلی استفاده می کنند، SSAB در حضور آب و اکسیژن خراب نمی شود. علاوه بر این، جایگزینی مولکول ردوکس فعال DHBQ با همتای پلیمری آن PDBM، الکترود منفی بهتری را تشکیل داد. در حالی که ظرفیت تخلیه هر گرمSSAB-DHBQ 29.7 میلی آمپر ساعت بود، مقدار متناظر SSAB-PDBM 176.1 میلی آمپر ساعت، در چگالی جریان ثابت 1 mAcm-2 بود.
محققان همچنین دریافتند که راندمان کولمبی SSAB-PDBM با نرخ 4 درجه سانتیگراد 84 درصد بود که به تدریج با نرخ 101 درجه سانتیگراد به 66 درصد کاهش یافت. در حالی که ظرفیت تخلیه SSAB-PDBM پس از 30 چرخه به 44٪ کاهش یافت، با افزایش محتوای پلیمر رسانای پروتون در الکترود منفی، محققان توانستند آن را به طور قابل توجهی تا 78٪ افزایش دهند. تصاویر میکروسکوپی الکترونی تایید کرد که افزودن Nafion عملکرد و دوام الکترود مبتنی بر PDBM را بهبود بخشید.
این مطالعه عملکرد موفقیت‌آمیز یک SSAB را نشان می‌دهد که شامل مولکول‌های آلی فعال ردوکس به عنوان الکترود منفی، یک پلیمر رسانای پروتون به‌عنوان الکترولیت جامد، و یک الکترود مثبت کاهنده اکسیژن از نوع انتشار است. محققان امیدوارند که راه را برای پیشرفت های بیشتر هموار کند. Miyatake نتیجه‌گیری می‌کند: این فناوری می‌تواند عمر SSAB ابزارهای الکترونیکی کوچک مانند تلفن‌های هوشمند را افزایش دهد و در نهایت به تحقق جامعه‌ای بدون کربن کمک کند.
