دانشمندان دانشگاه تگزاس تفاوت 1000 درصدی را در ظرفیت ذخیره سازی الکترودهای باتری بدون فلز و مبتنی بر آب کشف کرده اند.
به گزارش تکناک، باتری های مبتنی بر آب بدون فلز از باتری‌هایی که از کبالت در شکل لیتیوم یونی خود استفاده می‌کنند متفاوت هستند.
تمرکز گروه تحقیقاتی بر روی این نوع باتری از تمایل به کنترل بیشتر بر زنجیره تامین داخلی ناشی می‌شود، زیرا کبالت و لیتیوم معمولاً از خارج از کشور تامین می‌شوند. علاوه بر این، شیمی ایمن باتری ها می تواند از آتش سوزی جلوگیری کند.
استاد مهندسی شیمی دکتر جودی لوتکنهاوس و استادیار شیمی دکتر دانیل تابور، یافته های خود را در مورد باتری های بدون لیتیوم در Nature Materials منتشر کرده است.
لوتکنهاوس گفت: دیگر باتری آتش نمی گیرد زیرا مبتنی بر آب است. در آینده، اگر کمبود مواد پیش‌بینی شود، قیمت باتری‌های لیتیوم یونی بسیار بالا خواهد رفت. اگر این باتری جایگزین را داشته باشیم، می‌توانیم به این نوع از شیمی روی بیاوریم، جایی که عرضه بسیار پایدارتر است زیرا می‌توانیم آنها را در ایالات متحده آمریکا، تولید کنیم و مواد لازم برای ساخت آنها در اینجا موجود است.
لوتکنهاوس گفت: باتری های آبی از یک کاتد، یک الکترولیت و یک آند تشکیل شده اند. کاتدها و آندها پلیمرهایی هستند که می توانند انرژی را ذخیره کنند و الکترولیت آب مخلوط با نمک های آلی است. الکترولیت باعث هدایت یونی و ذخیره انرژی از طریق برهمکنش با الکترود می شود.
او می‌گوید: اگر یک الکترود در حین چرخه های شارژ بیش از حد متورم شود، نمی‌تواند الکترون‌ها را به خوبی هدایت کند و شما تمام عملکرد را از دست می‌دهید. من معتقدم که بسته به انتخاب الکترولیت به دلیل اثرات تورم، 1000درصد تفاوت در ظرفیت ذخیره انرژی وجود دارد.
با توجه به مقاله آنها، پلیمرهای رادیکال غیر مزدوج فعال ردوکس (الکترود ها) به دلیل ولتاژ تخلیه بالای پلیمرها و سینتیک سریع ردوکس، نامزدهای امیدوارکننده ای برای باتری های آبی بدون فلز هستند. این واکنش به دلیل انتقال همزمان الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌های آب، پیچیده و قابل حل است.
به گفته محققان در این مقاله، الکترولیت‌های آبی که ویژگی‌های کاسموتروپی مختلف دارند را با روش الکتروشیمیایی کریستال کوارتز میکروبالانس با نظارت بر اتلاف در محدوده‌های زمانی مختلف مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این بررسی منجر به درک ماهیت واکنش رودکس شد.
گروه تحقیقاتی تابور تلاش‌های تجربی را با شبیه‌سازی و تحلیل محاسباتی تکمیل کردند. شبیه‌سازی‌ها بینش‌هایی را در مورد تصویر مقیاس مولکولی میکروسکوپی از ساختار و دینامیک ارائه کردند.
تابور گفت: تئوری و آزمایش اغلب برای درک این مواد با هم همکاری می کنند. یکی از کارهای جدیدی که در این مقاله از نظر محاسباتی انجام می دهیم این است که ما در واقع الکترود را تا چندین حالت شارژ شارژ می کنیم و می بینیم که محیط اطراف چگونه به این شارژ واکنش نشان می دهد.
محققان به طور ماکروسکوپی مشاهده کردند که آیا کاتد باتری در حضور انواع خاصی از نمک ها با اندازه گیری دقیق مقدار آب و نمک که در حین کار به باتری وارد می شود، بهتر کار می کند یا خیر.
او گفت: ما این کار را انجام دادیم تا آنچه را که به صورت تجربی مشاهده شده است توضیح دهیم. اکنون، ما می خواهیم شبیه سازی های خود را در سیستم های باتری آینده گسترش دهیم. ما باید تئوری خود را در مورد نیروهایی که این نوع تزریق آب و حلال را هدایت می‌کنند تأیید می‌کردیم.
تابور نتیجه گیری کرد: نتایج این تحقیق در مورد فناوری ذخیره انرژی جدید، یک حرکت رو به جلو برای باتری های بدون لیتیوم است. اکنون محققان درک بهتری در سطح مولکولی از آنچه باعث می‌شود که برخی از الکترودهای باتری بهتر از سایرین کار کنند، دارند، و این شواهد قوی راه را برای طرحی مواد آینده هموار می کند.
