باتریهایی که نفس می‌کشند

افزایش ظرفیت باتری‌ها با 2 O

شیمیدان‌ها در انگلیس راهی برای برطرف کردن محدودیت‌ها و افزایش ظرفیت ذخیره انرژی در درون باتری‌ها پیدا کرده‌اند. بدین منظور این دانشمندان به باتری اجازه می‌دهند که اکسیژن موجود در هوا را استنشاق کند. جالب است بدانید که مانع اصلی برای افزایش حجم انرژی در باتری‌های لیتیومی، الکترود مثبت است. همه دانشمند‌ان می‌خواهند روشی را برای افزایش مقدار انرژی ذخیره شدنی در این باتری‌ها پیدا کنند تا ظرفیت آنها را بالا ببرد.

بعلاوه باتری تنفسی دیگری نیز توسط دانشمندان ابداع شده است که از باتری‌های هوا  روی گرفته شده و در ابزار کمک شنوایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این باتری انرژی خود را از واکنش عنصر روی با اکسیژن موجود در هوا به دست می‌آورد.

باتری‌های لیتیومی و حل بحران انرژی

بحران انرژی یکی از موضوعاتی است که بشدت مورد توجه جوامع امروزی است. سوخت‌های فسیلی که تامین‌کننده بخش عمده‌ای از انرژی مورد نیاز بشر بوده‌اند منابعی رو به زوال هستند و از طرفی مشکل آلودگی هوا و به تبع آن بروز انواع بیماری‌های ریوی و تنفسی گریبانگیر اکثر جوامع صنعتی است. با توجه به تلاش همه‌جانبه برای تولید منابع انرژی جایگزین، سازگار با محیط‌زیست و تجدید شونده و تلاش شرکت‌های حمل‌ونقل انرژی جهت دستیابی به فنون ذخیره‌سازی انرژی، موضوع تداوم ذخیره انرژی توجه جهانی را به خود جلب کرده است.

در این میان نانولوله‌های کربنی)CNT( به دلیل مورفولوژی و ساختارهای با منافذ بسیار زیاد و در اندازه‌هایی بر حسب نانومتر، وسیله‌ای برای ذخیره‌سازی محسوب می‌شوند، به طوری‌که با استفاده کامل از ویژگی‌های منحصر به فرد ساختار آنها می‌توان از کاربردهای بسیار وسیع آنها به عنوان وسایل جایگزین ذخیره انرژی استفاده کرد. علاوه بر این پیشرفت‌های پژوهشی به وجود آمده در استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان مواد الکترودی در باتری حاوی یون لیتیوم که یک منبع تولید انرژی با آلایندگی کم و حتی در بعضی شرایط منبعی ناآلاینده هستند مورد توجه بیشتری از نقطه نظر زیست محیطی قرار گرفته است.

ویروس‌هایی که بیش از صد بار شارژ می‌شوند

محققان نشان داده‌اند که می‌توانند برای ساخت آند و کاتد یک باتری یون لیتیوم به صورت ژنتیکی ویروس‌هایی طراحی کنند. در واقع در آند این ویروس‌ها با روکش‌دهی خودشان با اکسید کبالت و طلا تشکیل یک نانوسیم داده می‌شود و در کاتد نیز این ویروس‌ها به نانولوله‌های کربنی متصل می‌شوند. این باتری‌های جدید می‌توانند با یک فرآیند ارزان و سازگار با محیط ساخته شوند؛ تولید آنها در دمای اتاق و پایین‌تر اتفاق می‌افتد و به حلالی آلی مضر نیاز ندارد. همچنین مواد استفاده‌شده ‌در این باتری‌ها غیرسمی هستند.

جالب است بدانید که این محققان پیش‌تر نیز ویروس‌هایی را طراحی کرده بودند که می‌توانستند با روکش‌دهی خودشان با اکسید کبالت و طلا و خود‌آرایی به‌صورت یک نانوسیم، یک آند را بسازند. به بیان دیگر در این باتری‌ها به صورت ژنتیکی ویروس‌هایی طراحی شده‌اند که ابتدا خودشان را با نانوسیم‌های فسفات آهن روکش‌دهی کرده و سپس برای ایجاد یک شبکه از ماده بسیار رسانا به نانولوله‌های کربنی متصل می‌شوند. به این ترتیب الکترون‌ها می‌توانند در طول این شبکه‌های نانولوله‌ای حرکت کرده و در سراسر این الکترود نفوذ کنند تا به فسفات آهن رسیده و انرژی را در کوتاه‌ترین زمان منتقل کنند. محققان متوجه ‌شدند که یکپارچه کردن نانولوله‌های کربن در این کاتد، رسانایی کاتد را افزایش داده، بدون این‌که وزن باتری را چندان تغییر دهد. در تست‌های آزمایشگاهی، باتری‌های استفاده‌کننده از این کاتد‌ها می‌توانند بدون از دست دادن ظرفیت خود بیش از 100 بار شارژ و تخلیه شوند. یک تیم تحقیقاتی، نوعی ماده مرکب از نانولوله‌های کربنی و اکسیدهای فلزی ساخته است که اگر به عنوان الکترود در باتری به کار رود، می‌تواند کارآیی باتری‌های لیتیومی را افزایش دهد.

البته هرچند این تعداد چرخه‌شارژ تخلیه از باتری‌های تجاری کنونی کمتر است، ولی این محققان اعتقاد دارند که می‌توانند آن را خیلی افزایش دهند.

راهی برای افزایش کارآیی باتری‌های لیتیومی

همان‌گونه که گفتیم با توسعه خودروهای الکتریکی و سایر فناوری‌های وابسته به باتری، نیاز جهان به باتری‌های بادوام‌تر روز به روز در حال افزایش است. بر این اساس چندی پیش یک تیم تحقیقاتی، نوعی ماده مرکب از نانولوله‌های کربنی و اکسیدهای فلزی ساختند که اگر به عنوان الکترود در باتری به کار گرفته شود، می‌تواند کارآیی باتری‌های لیتیومی را افزایش دهد. این لوله‌ها شامل یک هسته بسیار رسانا از جنس نانولوله کربنی و پوسته‌ای از جنس اکسید منگنز هستند.

در واقع از دو ماده در این باتری‌ها استفاده شده، نانولوله‌های کربنی که بسیار رسانا هستند و می‌توانند لیتیوم را جذب کنند و اکسید منگنز که ظرفیت بسیار بالایی دارد اما هدایت الکتریکی آن پایین است. ماده به دست آمده از این ترکیب بسیار جالب است. بعلاوه می‌توان نانولوله‌ها با قطر چند نانومتر را به صورت کلاف‌هایی درآورد و سپس آنها را به شکل‌های مختلف تبدیل کرد. با این کار ممکن است باتری‌های آینده نازک و منعطف باشند. این نانوکابل‌های مرکب (هیبریدی) نیاز به چسب نیز ندارند، در حالی که مواد مصرفی فعلی در باتری‌ها با مواد چسبی به هم متصل می‌شوند و این چسب‌ها بر رسانایی آنها تأثیر منفی دارد.

افزایش عمر و ظرفیت

ناگفته نماند که پژوهشگران، طی پژوهشی دیگر موفق‌شدند نانواکسید سرب، با ساختاری مناسب برای ساخت باتری‌های سرب  اسید با طول عمر و ظرفیت بالا تهیه کنند. باتری‌های سرب  اسید به‌عنوان قدیمی‌ترین وسیله ذخیره و تولید انرژی الکتریکی هستند که سابقه تولید صنعتی آنها به بیش از یک قرن می‌رسد و بخشی وسیعی از تحقیقات در زمینه ذخیره‌‌سازی انرژی را به خود اختصاص داده‌اند. یکی از این زمینه‌های تحقیقاتی، اصلاح مواد فعال به‌منظور دسترسی به ظرفیت و طول عمر زیاد است.

این روش در صنایع تولید باتری‌های سرب  اسید و رنگ‌سازی کاربرد گسترده‌ای دارد و منجر به تولید باتری‌هایی با ظرفیت ذخیره انرژی بالا و طول عمر بسیار زیاد می‌شود.

محمد ارشادی