دانشمندان در دانشگاه علم و فناوری هنگکنگ HKUST از یک جهش بزرگ در فناوری باتریهای یون- کلسیم رونمایی کردهاند که میتواند راه را برای ذخیرهسازی انرژی ایمنتر و پایدارتر هموار کند؛ از شبکههای برق مبتنی بر انرژیهای تجدیدپذیر گرفته تا خودروهای برقی. با طراحی یک الکترولیت شبهجامد نوآورانه ساختهشده از «چارچوبهای آلی کووالانسی»، تیم پژوهشی توانست مشکلات دیرینهای را که باتریهای کلسیمی را عقب نگه داشته بود از جمله انتقال ضعیف یونها و پایداری محدود برطرف کند.
دانشمندان این دانشگاه پیشرفتی مهم در پژوهشهای باتری یون-کلسیم (CIB) گزارش کردهاند که میتواند شیوه ذخیره و مصرف انرژی در زندگی روزمره را دگرگون کند. با بهکارگیری الکترولیتهای شبهجامد (QSSE)، این تیم نوع جدیدی از باتری یون-کلسیم را توسعه داده که هم عملکرد و هم پایداری را بهبود میدهد. این فناوری میتواند طیفی از کاربردها مانند سامانههای ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر تا خودروهای برقی را پشتیبانی کند. این پژوهش با عنوان «باتریهای یون-کلسیم شبهجامد با عملکرد بالا مبتنی بر الکترولیتهای چارچوب آلی کووالانسی» در مجله Advanced Science منتشر شده است.
با گسترش تولید انرژیهای تجدیدپذیر در کشورهای مختلف، نیاز به ذخیرهسازی مطمئن و کارآمد باتریها رو به افزایش است. در حال حاضر باتریهای لیتیوم-یون (LIB) بر بازار تسلط دارند، اما نگرانیهایی درباره محدود بودن منابع لیتیوم و محدودیت چگالی انرژی آنها وجود دارد. این محدودیتها جستوجو برای شیمیهای جایگزین باتری را که بتوانند نیازهای بلندمدت جهانی انرژی را برآورده کنند، افزایش داده است.
باتریهای یون-کلسیم به دلیل فراوانی کلسیم و داشتن «پنجره الکتروشیمیایی» قابل مقایسه با باتریهای لیتیوم-یون، توجه زیادی را جلب کردهاند. با این حال، موانع فنی پیشرفت آنها را کند کرده است. بهویژه، حرکت مؤثر یونهای کلسیم درون باتری دشوار است و حفظ عملکرد پایدار در چرخههای مکرر شارژ و دشارژ چالشبرانگیز بوده است. این مشکلات مانع رقابت مستقیم باتریهای یون-کلسیم با سامانههای مبتنی بر لیتیوم شدهاند.
الکترولیتهای شبهجامد انتقال یون باتری کلسیم یون را بهبود میدهند
برای حل این مشکلات، تیم تحقیقاتی دانشگاه، چارچوبهای آلی کووالانسیِ ردوکسفعال را بهگونهای مهندسی کردند که بهعنوان الکترولیتهای شبهجامد (QSSE) عمل کنند. این مواد غنی از گروههای کربونیل، رسانایی یونی بالایی (۰٫۴۶ میلیزیمنس بر سانتیمتر) و قابلیت انتقال یون Ca²⁺ بیش از ۰٫۵۳ را در دمای اتاق نشان دادند. بر اساس آزمایشهای آزمایشگاهی و شبیهسازیهای رایانهای، پژوهشگران دریافتند که یونهای Ca²⁺ بهسرعت در امتداد گروههای کربونیلِ همراستا درون حفرههای ساختاریافته این چارچوبهای آلی کووالانسی حرکت میکنند. این مسیر داخلیِ سازمانیافته، توضیحدهنده بهبود تحرک یونها و عملکرد کلی باتری است.
عملکرد پایدار در بیش از ۱۰۰۰ چرخه باتری کلسیم
با استفاده از این طراحی، تیم پژوهشی یک سلول کامل باتری یون-کلسیم را طراحی کرده اند که ظرفیت ویژه برگشتپذیر ۱۵۵٫۹ میلیآمپرساعت بر گرم در جریان ۰٫۱۵ آمپر بر گرم ارائه داد. حتی در ۱ آمپر بر گرم نیز باتری پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، بیش از ۷۴٫۶٪ از ظرفیت خود را حفظ کرد. این نتایج نشان میدهد که چارچوبهای آلی کووالانسی میتوانند بهطور قابلتوجهی فناوری باتریهای یون-کلسیم را تقویت کنند.
برای ارجاع به منبع خبر، کلیک نمایید.
بیشتر بخوانید:
