فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ موفق به ساخت نوعی باتری کلسیم-یونی شده‌اند که با بهبود پایداری و کارایی، پتانسیل رقابت با فناوری باتری‌های لیتیوم-یونی را دارد.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این سامانه با استفاده از الکترولیت‌های شبه‌جامد مبتنی بر چارچوب‌های آلی کووالانسی فعال در واکنش‌های ردوکس طراحی شده است. باتری‌های کلسیم-یونی به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای لیتیوم-یون مطرح هستند، چرا که کلسیم فراوان و مقرون‌به‌صرفه است و پنجره الکتروشیمیایی مشابهی ارائه می‌دهد. با وجود این، تاکنون توسعه عملی آنها با چالش‌های انتقال ضعیف یون و چرخه‌های ناپایدار مواجه بوده است.
حتما بخوانید: چین ته‌سیگارها را به باتری تبدیل کرد!
باتری‌های لیتیوم-یونی بازار جهانی را تحت سلطه دارند و کاربردهایی مانند: خودروهای برقی، شبکه‌های ذخیره انرژی و دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی را پشتیبانی می‌کنند، اما منابع محدود لیتیوم و دشواری افزایش چگالی انرژی، فشار برای یافتن شیمی باتری‌های نسل بعد را افزایش داده است. چالش محوری در سیستم‌های کلسیم-یونی، حرکت کارآمد یون‌های Ca²⁺ در الکترولیت و حفظ پایداری ساختاری در طول چرخه‌های متعدد شارژ و دشارژ است؛ بدون انتقال سریع یون، عملکرد کاهش می‌یابد و فرسایش باتری تسریع می‌شود.
بیشتر بخوانید: ابداع نانومواد یک‌بعدی که عملکرد باتری‌ها و حسگرها را متحول می کنند
حل مشکل گلوگاه یون‌ها با باتری کلسیم-یونی
تیم پژوهشی دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ با طراحی چارچوب‌های آلی کووالانسی غنی از گروه‌های کربونیل که به عنوان الکترولیت شبه‌جامد عمل می‌کنند، توانست مشکل انتقال محدود یون‌ها را برطرف کند. این ساختارها کانال‌های منظم ایجاد می‌نمایند که یون‌های کلسیم را در سراسر شبکه هدایت می‌کنند. بر اساس یافته‌های تیم، الکترولیت‌های جدید به رسانایی یونی ۰.۴۶ میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر و توانایی انتقال Ca²⁺ بیش از ۰.۵۳ در دمای اتاق دست یافته‌اند. مطالعات تجربی و شبیه‌سازی نشان داد که یون‌های کلسیم با سرعت بالا در امتداد گروه‌های کربونیل مرتب در منافذ منظم COF حرکت می‌کنند.
برای مطالعه بیشتر: باتری جدید چین، انرژی خورشید را به برق ذخیره‌شده تبدیل می کند
این طراحی امکان ساخت یک سلول کامل باتری کلسیم-یونی را فراهم کرد. سیستم، ظرفیت ویژه قابل بازگشت ۱۵۵.۹ میلی‌آمپر ساعت بر گرم در جریان ۰.۱۵ آمپر بر گرم ارائه داد و پس از ۱۰۰۰ چرخه در جریان ۱ آمپر بر گرم، بیش از ۷۴.۶ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرد. این نتایج نشان می‌دهند که فناوری به مرحله کاربردی نزدیک شده است.
پروفسور یون‌سئوب کیم، استادیار مهندسی شیمی و زیستی در HKUST عنوان کرد: «تحقیقات ما پتانسیل تحول‌آفرین باتری‌های کلسیم-یونی را به عنوان جایگزین پایدار فناوری لیتیوم-یونی نشان می‌دهد. با بهره‌گیری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد چارچوب‌های آلی کووالانسی فعال در ردوکس، گامی مهم در جهت تحقق راهکارهای ذخیره انرژی با عملکرد بالا و سازگار با آینده‌ای سبز برداشته‌ایم.»
به سوی جایگزین‌های لیتیوم
این پیشرفت یکی از اصلی‌ترین محدودیت‌های باتری کلسیم-یونی، یعنی انتقال کند کاتیون‌ها را هدف قرار داده است. این تیم پژوهشی با افزایش تحرک یون‌ها و حفظ یکپارچگی ساختاری، هم بهره‌وری و هم دوام باتری را بهبود بخشیده است. علاوه بر این، الکترولیت‌های شبه‌جامد مزایای ایمنی نسبت به سیستم‌های مایع دارند و ریسک نشت را کاهش و پایداری مکانیکی را افزایش می‌دهند. این ویژگی‌ها فناوری را برای خودروهای برقی و ذخیره‌سازی انرژی شبکه‌ای جذاب می‌کند، جایی که ایمنی و طول عمر از اهمیت حیاتی برخوردار هستند.
این مطالعه با همکاری پژوهشگران دانشگاه جیائوتنگ شانگهای انجام شد. اگرچه تحقیقات بیشتری برای تایید قابلیت تجاری‌سازی بلندمدت مورد نیاز است، نتایج نشان می‌دهند که باتری‌های کلسیم-یونی می‌توانند به معیارهای عملکردی رقابتی نزدیک شوند. با تسریع گذار جهانی به انرژی‌های پاک، شیمی باتری‌های غیرلیتیومی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است و پیشرفت‌هایی مانند این نشان می‌دهند که سیستم‌های مبتنی بر کلسیم می‌توانند بخشی از ترکیب آینده ذخیره انرژی باشند.
این نتایج در مجله علمی Advanced Science منتشر شده است.
