باتری قابل شارژ مجدد شکست‌خورده توماس ادیسون ممکن است جان دوباره‌ای بیابد

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

باتری قابل شارژ مجدد شکست‌خورده توماس ادیسون ممکن است جان دوباره‌ای بیابد

در تحولی که می‌تواند فصل‌هایی از تاریخ ذخیره‌سازی الکتریسیته را بازنویسی کند، تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) با موفقیت نمونه اولیه‌ای از باتری نیکل-آهن را توسعه داده‌اند که به اصول پیشگامانه‌ای که توسط مخترع مشهور توماس ادیسون پایه‌گذاری شده‌اند، بازمی‌گردد. در حالی که چشم‌انداز اصلی ادیسون برای این فناوری در اوایل قرن بیستم، تأمین انرژی خودروهای الکتریکی بود، اکنون محققان معاصر معتقدند که مفاهیم بنیادی آن برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر، مانند تأسیسات انرژی خورشیدی و بادی، بسیار مناسب‌تر است.

این مطالعه که اخیراً در مجله علمی 'Small' منتشر شده است، جزئیات یک نمونه اولیه نوآورانه باتری را شرح می‌دهد که قادر به شارژ شدن در عرض چند ثانیه و تحمل بیش از ۱۲,۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ است. این دوام قابل توجه معادل حدود ۳۰ سال استفاده فشرده روزانه است که نشان‌دهنده طول عمر فوق‌العاده طولانی برای این فناوری بازنگری شده است. این پیشرفت، درک عمیق‌تری از چگونگی بهره‌برداری از اصول شیمیایی در مقیاس نانو برای دستیابی به عملکرد برتر را منعکس می‌کند.

مفهوم قدرت الکتریکی قابل شارژ مجدد در دوران ادیسون کاملاً جدید نبود. تا سال ۱۹۰۰، تعداد خودروهای هیبریدی الکتریکی در جاده‌های ایالات متحده بیشتر از خودروهای بنزینی بود. در سال ۱۹۰۱، ادیسون حق ثبت اختراع باتری خودروی سربی-اسیدی کارآمد خود را دریافت کرد که تقریباً قرن بیستم را در مسیری کاملاً متفاوت آغاز کرد. با این حال، باتری‌های ادیسون با موانع قابل توجهی از جمله هزینه‌های بالا و برد محدود تنها ۳۰ مایل روبرو شدند، که در نهایت باعث شکست آن‌ها در برابر موتور احتراق داخلی شد، پیش از آنکه ادیسون بتواند چشم‌انداز خود را برای یک جانشین موفق باتری نیکل-آهن به طور کامل تحقق بخشد.

امروزه، انرژی تجدیدپذیر پس از بیش از یک قرن نوآوری مستمر و با توجه به آگاهی فزاینده از عواقب جدی سوخت‌های فسیلی، به سنگ بنای ترکیب انرژی جهانی تبدیل شده است. در حالی که اکثر مردم امروزه با باتری‌های قابل شارژ مجدد لیتیوم-یون آشنا هستند، مفهوم نیکل-آهن ادیسون به طور کامل از بین نرفته است. مهندسان UCLA اذعان می‌کنند که اگرچه این فناوری ممکن است مستقیماً برای کاربردهای حمل‌ونقل مناسب نباشد، اما نوید بزرگی برای استفاده در زیرساخت‌های انرژی، مانند مزارع خورشیدی و تأسیسات ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ نشان می‌دهد.

دکتر ماهر القاضی، یکی از نویسندگان همکار این مطالعه، توضیح می‌دهد که اصول اساسی این فناوری، علی‌رغم اتکا به پیوندهای در سطح اتمی و مهندسی در مقیاس نانو، به طرز شگفت‌آوری قابل درک هستند. او در یک پروفایل اخیر UCLA گفت: «مردم اغلب ابزارهای نانوتکنولوژی مدرن را پیچیده و پیشرفته می‌دانند، اما رویکرد ما به طرز شگفت‌آوری ساده و سرراست است.»

تیم القاضی از دو منبع اصلی الهام گرفت: شیمی بنیادی و کالبدشناسی اسکلتی. به عنوان مثال، تشکیل استخوان‌ها و پوسته‌های مهره‌داران شامل استفاده از پروتئین‌های خاص به عنوان چارچوبی برای ساخت ترکیبات مبتنی بر کلسیم است. دکتر ریک کانر، دانشمند مواد و نویسنده همکار این مطالعه، توضیح می‌دهد: «نهشته کردن مواد معدنی به شیوه‌ای صحیح، استخوان‌هایی را می‌سازد که قوی هستند، اما به اندازه‌ای انعطاف‌پذیرند که شکننده نباشند. نحوه انجام آن تقریباً به اندازه ماده مورد استفاده اهمیت دارد و پروتئین‌ها نحوه قرارگیری آن‌ها را هدایت می‌کنند.»

القاضی و کانر امکان انطباق این سیستم زیستی را با جایگزینی کلسیم با نیکل و آهن مورد بررسی قرار دادند. برای مؤلفه پروتئین، آنها از محصولات جانبی فرآوری گوشت گاو استفاده کردند و آنها را با اکسید گرافن - یک لایه تک اتمی کربن و اکسیژن - آغشته کردند. در نهایت، آنها موفق به پرورش ساختار پروتئینی تاشده‌ای شدند که پر از اتم‌های نیکل با بار مثبت و اتم‌های آهن با بار منفی بود. این ساختارها، که عرض آنها کمتر از پنج نانومتر است، برای رسیدن به عرض یک تار موی انسان به ۱۰,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ خوشه نیاز دارند.

اتم‌های اکسیژن اکسید گرافن معمولاً به عنوان یک عایق عمل می‌کنند که می‌تواند کارایی باتری را مختل کند. با این حال، تیم راه حلی پیدا کرد. با قرار دادن خلقت خود در آب فوق‌العاده داغ، دمای بالا پروتئین‌ها را به کربن تبدیل کرد و در عین حال تمام اکسیژن را حذف نمود. همزمان، این خوشه‌های فلزی بیشتر در ساختارها جاسازی شدند. نتیجه یک ایروژل بود که تقریباً ۹۹٪ آن از هوا تشکیل شده بود. از این نقطه، دینامیک شگفت‌انگیز سطح وارد عمل می‌شود.

القاضی توضیح می‌دهد: «همانطور که از ذرات بزرگتر به سمت این خوشه‌های نانوی بسیار کوچک حرکت می‌کنیم، سطح ویژه به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این یک مزیت عظیم برای باتری‌ها است.» او افزود: «وقتی ذرات اینقدر کوچک هستند، تقریباً هر اتم می‌تواند در واکنش شرکت کند. بنابراین، شارژ و دشارژ بسیار سریعتر اتفاق می‌افتد، شما می‌توانید شارژ بیشتری ذخیره کنید و کل باتری کارآمدتر عمل می‌کند.»

در حالی که باتری ایروژل نیکل-آهن القاضی در حال حاضر به ظرفیت ذخیره‌سازی جایگزین‌های لیتیوم-یون نزدیک نیست و آن را برای وسایل نقلیه الکتریکی نامناسب می‌سازد، اهمیت آن فراتر از یک آزمایش شیمیایی ساده است. شارژ سریع، طول عمر و خروجی بالای باتری نیکل-آهن نشان‌دهنده پتانسیل خوب آن برای کاربرد در مزارع خورشیدی است. این باتری می‌تواند به راحتی و به سرعت الکتریسیته اضافی تولید شده در طول روز را ذخیره کند و سپس آن انرژی را در شب به شبکه منتقل کند. علاوه بر این، می‌تواند به عنوان منبع انرژی پشتیبان حیاتی برای مراکز داده پرمصرف انرژی عمل کند.

اگرچه تولد دوباره باتری‌های نیکل-آهن ادیسون هنوز در مراحل اولیه خود است، اما علم و دانش فنی لازم وجود دارد. علاوه بر این، این فناوری به طور کامل وابستگی به فلزات خاکی کمیاب را که مشخصه باتری‌های لیتیوم-یون است، دور می‌زند.

القاضی نتیجه می‌گیرد: «ما به سادگی مواد رایج را مخلوط می‌کنیم، مراحل حرارتی ملایم را اعمال می‌کنیم و از مواد خام در دسترس به طور گسترده استفاده می‌کنیم.» این اظهارات در را به روی آینده‌ای امیدوارکننده برای ذخیره‌سازی انرژی باز می‌کند، جایی که نوآوری‌های الهام گرفته از گذشته نقشی حیاتی در پرداختن به چالش‌های حال و آینده ایفا می‌کنند.

خبرگزاری اخباری