تولید میکروباتری‌های جدید با چهار برابر ذخیره انرژی

به گزارش جام‌جم آنلاین به نقل از نیواطلس، یکی از چندین زمینه جالب تحقیقات باتری پیشرفته شامل ایده استفاده از اجزای ساختاری برای ذخیره انرژی است. نمونه کاربرد‌های این نسل از باتری‌ها برای کاهش وزن در وسایل نقلیه برقی و تجهیزات سربازان است. اکنون دانشمندان این نوع دانش را برای تولید میکروباتری‌هایی بسیار سبک که حتی برای حشرات قابل جابه‌جایی باشند و چهار برابر چگالی انرژی بیشتری را حمل کنند.

این تحقیق توسط مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده است که در حال بررسی طرح‌های جدیدی برای باتری‌هایی بودند که به اندازه کافی کوچک و با دوام باشند و به خوبی بتوانند انرژی مورد نیاز تجهیزات پوشیدنی کوچک و وسایل الکترونیکی را تأمین کنند. این نوع دستگاه‌ها به باتری‌هایی نیاز دارند که در برابر آسیب‌های ناشی از ضربه، آب و اکسیژن محافظت شوند و معمولا برای این موضوع از محفظه‌ای برای باتری‌ها استفاده می‌شود که موجب افزایش وزن و اندازه آن‌ها می‌شود، در حالی که هیچ تأثیر مثبتی بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری ندارد.

برای غلبه بر این محدودیت، دانشمندان شیوه طراحی معمول باتری‌های کوچک را دوباره مورد بررسی قرار دادند. در این تجهیزات معمولاً از الکترود‌های بسیار نازک استفاده می‌شود که امکان انتقال سریع الکترون‌ها و یون‌ها را فراهم می‌کند، اما این ویژگی باریک میزان مواد شیمیایی آن‌ها و به دنبال آن مقدار انرژی‌ای که می‌توانند ذخیره کنند را محدود می‌کند.

کاتد‌ها یکی از دو الکترود باتری هستند و معمولاً از ذرات خرد شده ساخته می‌شود که به هم فشرده می‌شود و یک ساختار متخلخل با سوراخ‌های هوا ایجاد می‌کند، که این تخلخل بر سرعت حرکت یون‌ها در باتری تأثیر می‌گذارد. دانشمندان با ایجاد یک ماده کاتدی بسیار متراکم که می‌تواند مستقیماً روی ورقه‌های نازک فلزی «آبکاری الکترولیتی» شود و هم‌زمان به عنوان پوشش نیز عمل کند، بر این مشکل غلبه کرده‌اند.

جیمز پیکول، سرپرست این مطالعه می‌گوید: «ما باید برای عبور از این چالش نوعی جذب‌کننده جریان دو کاربردی تولید می‌کردیم. آن‌ها هم به عنوان رسانای الکترون عمل می‌کنند و هم به عنوان پوشش محافظی که از ورود آب و اکسیژن به باتری جلوگیری می‌کند.»

به گفته محققان، این طرح میکرو باتری «بزرگراه‌های اتمی» کاتد را هم تراز می‌کند؛ به این ترتیب یون‌های لیتیوم با سرعت بیشتر و به صورت مستقیم از طریق کاتد به داخل دستگاه حرکت می‌کنند. از آنجا که یون‌ها در این روش می‌توانند بسیار کارآمدتر از کاتد عبور کنند، می‌توان آن را بدون این که بر این ویژگی کلیدی تأثیر منفی بگذارد، بسیار ضخیم‌تر کرد. در نتیجه مقدار مواد شیمیایی ذخیره کننده انرژی را می‌تواند دو برابر شود.

در نهایت، این روش موجب می‌شود که میکروباتری چگالی انرژی معادل چهار برابر طراحی‌های پیشرفته کنونی داشته باشد. وزن این باتری کوچک معادل دو دانه برنج است، اما چگالی انرژی و قدرت یک باتری با ابعاد ۱۰۰ برابر اندازه خود را دارد. محققان معتقدند که این باتری به زودی کاربرد‌های بسیار گسترده‌ای پیدا خواهد کرد؛ مانند ربات‌های کوچک پرنده، تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی، ایمپلنت‌های پزشکی با طول عمر بیشتر یا دستگاه‌های بی‌سیم متعدد با اینترنت اشیا.

در حال حاضر این گروه تحقیقاتی در حال مطالعه روی ترکیب شیمیایی و فیزیکی باتری جدید خود هستند تا بتوانند عملکرد آن را ارتقا دهند. این پژوهش در مجله Advanced Materials منتشر شده است.