پژوهشگران دانشگاه آلبرتا موفق شده‌اند با الکترودهای ارگانیک تحت فشار، عملکرد باتری آبی (بر پایه آب) را به طور چشمگیری بهبود دهند.
به گزارش تکناک، این باتری‌ها که پیش‌تر به‌دلیل چگالی انرژی پایین و ظرفیت محدود، کاربردهای گسترده‌ای نداشتند، حالا با بازطراحی ساختار الکترود می‌توانند سریع‌تر شارژ شوند، عمر بیشتری داشته باشند و انرژی بیشتری ذخیره کنند.
باتری آبی (Aqueous Batteries)، قدمتی بیش از یک قرن دارند و نخستین نمونه موفق آنها، یعنی باتری سرب-اسید، در سال ۱۸۵۹ اختراع شد؛ نوعی که هنوز هم در خودروهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود این، محدودیت‌هایی مانند: چگالی انرژی پایین، ولتاژ محدود و ظرفیت ذخیره‌سازی اندک، باعث شده است که این باتری‌ها برای کاربردهایی همچون خودروهای برقی یا ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر چندان مناسب نباشند.
در مقابل، باتری‌های لیتیوم-یون با ویژگی‌هایی مانند: ظرفیت بالا، شارژ سریع، وزن کم و طول عمر بالا، به استاندارد صنعت تبدیل شده‌اند، اما همین باتری‌ها به دلیل استفاده از حلال‌های آلی قابل اشتعال و فلزات گران‌قیمت، همواره با خطرات ایمنی و هزینه‌های بالای تولید روبه‌رو هستند.
در این میان، تیمی از پژوهشگران دانشکده مهندسی شیمی و مواد دانشگاه آلبرتا به رهبری دکتر شیائولی وانگ و دانشجوی دکترای او، ژیشیائو شو، موفق به طراحی نوینی در ساختار الکترود باتری‌های آبی شده‌اند، که توانسته است شکاف عملکردی بین این نوع باتری‌ها و باتری‌های لیتیوم-یون را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
دکتر وانگ در این رابطه گفت: «باتری‌های آبی ارزان‌تر هستند، از آب معمولی استفاده می‌کنند، غیرسمی هستند و خطر آتش‌سوزی ندارند؛ اما همواره در عملکرد، عقب‌تر از رقبای خود بوده‌اند. ما با بازطراحی ساختار الکترود، تلاش کردیم این نقطه ضعف را جبران کنیم.»
محققان با توسعه محصولی که آن را «الکترود آلی تحت فشار» می‌نامند، توانسته‌اند عملکرد الکتروشیمیایی باتری آبی را به شکل محسوسی بهبود دهند. این طراحی جدید، پنج ویژگی حیاتی را در عملکرد باتری بهبود داده است:
- رسانایی الکتریکی بالا
- پایداری حرارتی مطلوب
- استحکام مکانیکی بالا
- چسبندگی مناسب مواد
- واکنش‌پذیری شیمیایی مؤثر
در باتری‌های آلی برای افزایش رسانایی، میزان زیادی کربن اضافه می‌شود، که باعث کاهش فضای در دسترس برای مواد فعال انرژی‌زا می‌شود. اما در این الکترودهای جدید، بدون نیاز به افزودن بیش از حد کربن، ساختار به گونه‌ای طراحی شده است که تمام عناصر مورد نیاز برای ذخیره انرژی، به‌صورت فشرده و مؤثر عمل کنند.
به گفته وانگ، این پیشرفت باعث شده است که باتری‌های آبی در سرعت شارژ، طول عمر و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی، از بسیاری از نمونه‌های آلی دیگر پیشی بگیرند.
تاکنون این فناوری در قالب سلول‌هایی به اندازه سکه و نمونه‌هایی در اندازه یک کیسه کوچک (در ابعاد تقریبی یک ساندویچ) با موفقیت آزمایش شده است. اما به گفته وانگ، بزرگ‌ترین چالش پیش‌رو، مقیاس‌پذیری این فناوری برای کاربردهای صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی است.
او تأکید کرد: «هدف ما ساخت باتری آبی برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس صنعتی، به‌ویژه برای نیروگاه‌های خورشیدی یا بادی است. اما اگر بتوانیم عملکردی مشابه با باتری‌های خودروهای برقی با هزینه کمتر و ایمنی بیشتر ارائه دهیم، چرا که نه؟»
در حال حاضر، تیم دانشگاه آلبرتا به دنبال همکاری با شرکت‌های صنعتی برای تجاری‌سازی این فناوری است. ورود این باتری‌ها به بازار می‌تواند نقطه عطفی در کاهش هزینه‌ها، افزایش ایمنی و توسعه پایدار زیرساخت‌های انرژی در جهان باشد.
این نوآوری در شرایطی شکل گرفته است که نیاز جهانی به منابع ذخیره‌سازی ایمن، سبز و مقرون‌به‌صرفه به‌ویژه در مسیر گذار از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های پاک، بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود.
پیشرفت اخیر دانشگاه آلبرتا، امیدهای تازه‌ای برای آینده باتری‌های آبی ایجاد کرده است؛ فناوری که روزگاری تنها محدود به خودروهای قدیمی یا پروژه‌های آموزشی بود، اکنون با طراحی الکترودهای تحت فشار، پتانسیل ورود به قلب صنعت انرژی نوین را پیدا کرده است. اگر روند توسعه و تجاری‌سازی این فناوری با موفقیت طی شود، می‌توان انتظار داشت که باتری‌های آبی، در کنار باتری‌های لیتیوم-یون، به گزینه‌ای قابل اتکا برای آینده‌ای پایدارتر تبدیل شوند.
