مواد خود ترمیم شونده و باتری‌های هوشمند

مقدمه

با پیشرفت فناوری و دانش بشر در زمینه‌های گوناگون، پیش بینی و کنترل رفتار مولکول‌ها و پلیمر‌ها توسط بشر افزایش یافته است. بنابراین امروزه بشر توانایی ساخت موادی با ویژگی‌های منحصر به فردی را دارد که در گذشته برای وی مقدور نبود (یا به طور محدودتر توانایی انجام آن را داشت). یکی از این ویژگی‌ها ساخت مواد خود ترمیم شونده است. خود ترمیمی به عنوان توانایی مواد برای ترمیم خود پس از وقوع آسیب تعریف می‌شود. فرآیند خود ترمیمی معمولا از طریق برهمکنش بین مولکول‌ها یا زنجیره‌ها انجام می‌شود. روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی برای آماده سازی سیستم‌های خود ترمیمی استفاده می‌شوند. رویکردها و مکانسیم‌های مختلفی مانند سیستم‌های ناهمگن، پیوند هیدروژنی یا پیوند کووالانسی و انتشار برای این سیستم‌ها وجود دارد. مکانیسم‌های خود ترمیمی می‌توانند به ویژه از طریق قرار گرفتن در معرض گرما و نور یا از طریق اتصال مجدد و بدون تأثیر این عوامل رخ دهند. کاربردهای این سیستم‌ها در هر دو بخش تحقیق و توسعه و صنعت روند رو به رشدی را نشان می‌دهد، که از جمله صنعت خوردگی را می‌توان ذکر کرد. علاوه بر این، به کارگیری سیستم‌های خود ترمیمی در ذخیره انرژی در حال حاضر اهمیت زیادی پیدا کرده است.

مواد خود ترمیمی

خود ترمیمی می‌تواند به عنوان توانایی یک ماده برای التیام (بازیابی/ترمیم) آسیب‌ها به طور مستقل و بدون هیچ گونه مداخله خارجی تعریف شود. در مواردی که خواص خود ترمیمی به ابزار ساخته شده توسط انسان اضافه می‌شود، عمل خود ترمیمی معمولا به یک محرک خارجی نیاز دارد. سیستم‌های خود ترمیم را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: 1- ترمیم مبتنی بر کپسول (مهره، فیبر و/یا نوع عروقی و مکانیکی) که مستقل است 2- ترمیم با اثر محرک‌های خارجی غیرخودکار.

شکل 1. سیستم های خود ترمیمی

نمونه‌هایی از سیستم‌های خود ترمیمی، سیستم‌های مبتنی بر کپسول و سیستم‌های فیبر و عروقی هستند. سیستم‌های خودترمیمی مبتنی بر کپسول شامل ریزپوشانی‌ها می‌شوند که با استفاده از یک پوسته بی‌اثر از محیط خارجی جدا شده و محافظت می‌شوند. سیستم‌های فیبر و/یا سیستم‌های خود ترمیمی عروقی نیز از الیاف (الیاف توخالی) یا ساختارهای توخالی مشبک طراحی شده‌اند. در این سیستم‌ها، عوامل التیام‌دهنده در فضاهای داخل الیاف یا ساختارهای شبکه‌ای تا زمانی که آسیب وارد شود ذخیره می‌شوند و در صورت آسیب آزاد می‌شوند.

استفاده از مکانیزم‌های غیر خود ترمیمی که از اثرات پنهانی استفاده می‌کند و امکان خوددرمانی آسیب را فراهم می‌کند، یکی دیگر از روش‌هایی است که برای به دست آوردن توانایی خود ترمیمی استفاده می‌شود پلیمرهای فوق مولکولی که با ترکیب علم پلیمر و شیمی فوق مولکولی پدید آمده‌اند، زمینه تحقیقاتی بین رشته‌ای جدیدی را ایجاد کرده‌اند.

همان طور که می‌دانیم در باتری‌های لیتیومی تغییرات حجم زیاد در طول فرآیند ورود و خروج مکرر یون‌های لیتیوم می‌تواند منجر به ترک خوردگی یا پودر شدن آندهای سیلیکونی در باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) شود که در نتیجه باعث کاهش عمر چرخه باتری‌ها می‌شود. مشخص شده است که آسیب‌های ناشی از تغییرات حجمی در سیلیکون  (مانندسایش، ترک و شکستگی) اغلب در استفاده عملی ایجاد می‌شوند و تخریب در طول زمان منجر به تخریب خواص دستگاه و کاهش قابل توجه عمر دستگاه می‌شود. شکستگی‌ها و سایر آسیب‌هایی که در مواد رخ می‌دهد به صورت میکروسکوپی شروع می‌شود و از آنجایی که انرژی شکست نمی‌تواند به طور موثر در ساختار توزیع شود، شکستگی رشد می‌کند و در سراسر مواد پخش می شود. بنابراین ساخت پلیمرهایی که در آن‌ها بتوان به راحتی آسیب‌ها را کنترل یا تعمیر کرد، بسیار مهم شده است.

ادغام قابلیت‌های هوشمند: حسگرها

وابستگی رو به رشد ما به باتری‌ها مستلزم نظارت دقیق بر وضعیت عملکرد باتری است تا کیفیت، قابلیت اطمینان و عمر آن‌ها (QRL) افزایش یابد. سامانه مدیریت باتری (BMS) برای این منظور توسعه یافته است. عملکرد BMS بر اساس ماهیت و پویایی رابط‌های درون سلول باتری کنترل می‌شود که به نوبه خود بر واکنش‌های دما محور با سینتیک غیرقابل پیش‌بینی تکیه دارند. اگرچه نظارت بر دما برای افزایش عمر چرخه باتری و طول عمر آن ضروری است، اما امروزه به طور مستقیم در سطح سلولی در کاربردهای خودروهای الکتریکی (EV) اندازه گیری نمی‌شود.

بهبود چشمگیر QRL سلول باتری نیازمند دانش/نظارت بهتر در پارامترهای فیزیکی در طول چرخه شارژ و دشارژ و همچنین درک علمی بیشتر از فرآیندهای شیمیایی اضافی است که در سلول‌های باتری اتفاق می‌افتد. به کارگیری قابلیت‌های هوشمند در سلول باتری با روش‌های مختلفی انجام می‌شود. این روش‌ها شامل یکپارچه سازی و توسعه فناوری‌های مختلف حسگرها برای انتقال اطلاعات در داخل و خارج از سلول است. حسگرهایی که می‌توانند پارامترهای متعدد را در مکان‌های مختلف یک سلول اندازه‌گیری کنند (نظارت با تفکیک فضایی)، اهمیت ویژه‌ای دارند. مولفه‌هایی مانند دما، فشار، کشش، ترکیب الکترولیت، تنفس الکترود و جریان گرما، که با حساسیت بالا اندازه‌گیری می‌شوند، گزینه‌های ارزشمندی هستند.

شکل 2. یک باتری نسل آینده با یک آنالایزر خروجی متصل به حسگر (فیبرهای نوری، سیم و غیره).

باتری خود ترمیم شونده و هوشمند

نیاز به توسعه و بهبود سلول‌های باتری قابل شارژ در گذار به سمت انرژی پاک لازم و ضروری است. به منظور اعتماد به مطمئن بودن باتری، سلول باید بتواند به طور خودکار آسیب را حس کند و همچنین لازم است بعد از شناسایی آسیب، پیکربندی اولیه را همراه با کل عملکرد سلول بازگرداند.

 توانایی ترمیم خود به خودی آسیب یک ویژگی مهم بقا در طبیعت است، زیرا طول عمر بیشتر موجودات زنده را افزایش می‌دهد. بنابراین یک سوال مهم مطرح می‌شود: آیا می‌توانیم برای ساخت باتری‌های هوشمند و با عمر طولانی، مکانیسم‌های ترمیم طبیعی را تقلید کنیم. سیستم‌های بیولوژیکی تنوع زیادی از فرآیندهای خودترمیمی با سینتیک‌های مختلف را ارائه می‌دهند. از جمله می‌توان به توقف خونریزی در یک زخم پوستی (در چند دقیقه)، خود درمانی بیماری (در چند روز) و ترمیم استخوان‌های شکسته (در چند ماه) اشاره کرد. با این وجود، تمایل به تسریع زمان بهبودی منجر به ظهور یک زمینه وسیع و چند رشته‌ای در علم پزشکی به نام “مهندسی ترمیم” شده است.

همانطور که پزشکی به شدت بر انتقال داروها برای درمان بیماری‌ها متکی است، در باتری‌ها نیز ایجاد ابزاری که بتواند بر حسب تقاضای مولکول‌ها، یک رسوب مقاوم (به عنوان مثال، لایه بین فاز الکترولیت جامد) را حل کند، یا قابلیت‌های خود ترمیم شونده برای بازیابی یک الکترود معیوب را تزریق کند بسیار ضروری است. عملکردهای حسی و خودترمیمی ارتباط نزدیکی با هم دارند. چشم اندازها درباره باتری‌های هوشمند هر دو این عملکرد را یکپارچه خواهد کرد. سیگنال‌های حسگرها به BMS ارسال شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهند گرفت. اگر مشکلات مشخص شود، BMS سیگنالی را به محرک ارسال می‌کند و باعث تحریک فرآیند خودترمیمی می‌شود. این رویکرد اطمینان کاربر و ایمنی را به حداکثر می‌رساند.

این بخش تلاش می‌کند تا وضعیت فعلی فعالیت‌های خودترمیمی در حوزه باتری‌ها را بررسی کرده و چالش‌های مرتبط را شناسایی کند. راهبردهای پیشنهادی برای کاهش این چالش‌ها ارائه خواهد شد.

وضعیت فعلی

مکانیسم‌های خودترمیمی را می‌توان به‌عنوان مکانیسمی خودکار، زمانی که به محرک‌های خارجی نیاز نیست، یا مکانیسمی غیرخودکار، زمانی که به محرک‌های خارجی اضافی (مانند گرما، نور و pH) نیاز است، طبقه‌بندی کرد. در هر دو مورد، اجزای فرآیند ترمیم برای دستیابی به واکنش‌های سریع و کارآمد با سطوح جامد، باید بسیار واکنش‌پذیر باشند. به همین دلیل، تا کنون تعداد بسیار کمی از رویکردهای خودترمیمی در زمینه باتری از استراتژی‌های کلی و فرمالیسم‌هایی که برای بدن انسان ایجاد شده‌اند، بهره‌مند شده‌اند. دانشمندان باتری با کپی کردن استراتژی طبیعت، یعنی با تکیه بر استفاده از پیوندهای ضعیف برای خودترمیمی، مولکول‌ها یا پلیمرهایی با خواص خود ترمیمی ذاتی را توسعه داده‌اند. پلیمرهای کاربردی و منعطفی که از نظر شیمیایی با اجزای باتری سازگار هستند.

یکی دیگر از رویکردهای خودترمیمی که تاکنون به ندرت در جامعه باتری به کار رفته است، استفاده از میکروکپسول‌هایی است که میزبان گونه‌های ترمیم کننده هستند. تعداد زیادی از مواد خود مونتاژ و مکانیسم‌های الهام‌گرفته از طبیعت که مربوط به حوزه شیمی و زیست‌شناسی فوق‌مولکولی هستند برای فرآیندهای خودترمیمی درونی یا بیرونی آزمایش شده‌اند. برای محافظت از باتری‌ها در برابر سوء مدیریت حرارتی (شایع ترین حالت خرابی)، رویکردهای متفاوتی دنبال شده است. از جمله می‌توان به استفاده از پلیمرهای حرارتی سوئیچ شونده خود محافظ حرارتی یکپارچه در الکترولیت‌ها و جمع کننده‌های جریان اشاره کرد. ابزارهای شیمیایی ترمیم کننده باید در برابر محیط شیمیایی قوی اکسید کننده/کاهنده سلول بسیار مقاوم باشند. این موضوع معرفی رویکردهای خودترمیمی در زمینه ذخیره انرژی را کند کرده است. با این وجود، این وضعیت به سرعت در حال تغییر است، که توسط چند مطالعه اخیر در مورد ادغام عملکردهای خود ترمیم کننده در باتری‌ها و خازن‌های فوق العاده نیز نشان داده شده است.

چالش‌ها

فعالیت‌های خود ترمیمی در زمینه باتری‌ها، عمدتا شامل ترمیم خودکار الکترودها برای بازگرداندن رسانایی باتری و همچنین عملکرد غشاها برای تنظیم انتقال یون یا به حداقل رساندن واکنش‌های پارازیتی است. در ادامه به برخی از این جنبه‌ها با جزئیات بیشتری پرداخته می‌شود.

بازیابی رسانایی الکترود: بازیابی خواص الکتریکی پس از آسیب در دستگاه‌های ذخیره انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است. امید زیادی برای توسعه سیستم‌های ترمیمی وجود دارد که در آن با استفاده از یک ماده رسانا بتوان یکپارچگی فیزیکی و الکتریکی را بین سطوح ترک/شکستگی، پوسته‌های پوشش و الکترودها/جمع کننده‌های جریان ایجاد کرد.

در اولین مطالعات مربوط به خود ترمیمی رسانایی، از میکروکپسول‌های اوره فرمالدئید پر شده با نانولوله‌های کربنی (CNTs) که در کلروبنزن یا اتیل فنیل استات پراکنده شده بودند، استفاده شد. این میکروکپسول‌ها به منظور بهبود خواص مکانیکی و رسانایی  به کار برده شده بودند. ریزکپسول‌ها در صورت آسیب فیزیکی می‌ترکند و منجر به آزاد شدن سوسپانسیون نانولوله کربنی می‌شود که رسانایی را در عرض چند دقیقه بازیابی می‌کند.

سایر سیستم‌های شیمیایی رسانا، مانند پراکندگی‌های کربن سیاه (CB) در میکروکپسول‌ها محصور شده و مورد آزمایش قرار گرفتند. این پراکندگی‌ها در ترکیب با پلی-(3-هگزیل تیوفن) همپوشانی شده (P3HT) با موفقیت برای بازیابی رسانایی در آندهای سیلیکونی ترک خورده استفاده شد. این ترکیب شانس ایجاد یک آند سیلیکونی عملی برای LIBها را افزایش می‌دهد. آندهای سیلیکونی به دلیل تغییر حجم تقریبا 400٪ در طول لیتیاسیون، مستعد از دست دادن یکپارچگی ساختارشان هستند. متاسفانه این روش دارای ایرادات ذاتی است که از جمله می‌توان به برگشت ناپذیری آن و مقدار میکروکپسول‌های الکتروشیمیایی مرده مورد نیاز اشاره کرد که چگالی انرژی سلول را کاهش می‌دهد.

برای مثال، گروهی از دانشمندان یک پوشش پلیمری متشکل از یک پلیمر پیوند هیدروژنی شاخه‌دار را گزارش کردند که توانایی کشش بالایی را دارد. همچنین این پوشش پلیمری تکرارپذیری مکانیکی در خود ترمیمی را حفظ می‌کند که در نتیجه به آند Si کمک می‌کند پس از چرخه‌های زیادی در برابر گسترش حجم زیادی مقاومت کند. تلاش این گروه منجر به طراحی الکترودهایی با توزیع فضایی سه بعدی از این پلیمر خود ترمیم شونده در آندهای Si برای اطمینان از چسبندگی بهتر و پایداری چرخه بالا شده است.

شکل 3. طراحی و ساختار یک الکترود سیلیکونی خودترمیم شونده

یکی دیگر از مفاهیم خودترمیمی که توسعه یافته است، متکی به استفاده از آندهای فلز مایع (LM) است، که در واقع یک آلیاژ فلزی (Li₂Ga) است که نقطه ذوب پایینی دارد. بنابراین تغییر حالت مایع-جامد-مایع این آلیاژ فلزی می‌تواند به صورت برگشت‌پذیر در طول چرخه‌های ورود/خروج لیتیوم ایجاد شود. بنابراین، ریز ترک‌هایی که در الکترود ایجاد می‌شوند می‌توانند در طول تبدیل مایع-فلز مبتنی بر لیتیوم ترمیم پیدا کنند. این رویکرد متعاقبا در سایر الکترودهای منفی آلیاژی لیتیوم اجرا شده است. به عنوان مثال، الکترودهای Ga-Sn خود ترمیم شونده دارای عملکرد چرخه‌ای عالی (بیش از 4000 چرخه) و ظرفیت پایدار 775 میلی‌آمپر ساعت برگرم با نرخ 200 میلی آمپر بر گرم هستند. علاوه بر موارد ذکر شده آلیاژهای خود ترمیم شونده (Na-Sn) نیز برای بهبود باتری‌های Na-ion به کار گرفته شده‌اند.

طراحی الکترولیت های خود ترمیم شونده

یکی دیگر از استراژی‌های مهم استفاده از الکترولیت‌های خود ترمیم شونده برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی و دوام باتری‌های غیرآبی و آبی است. به منظور  بررسی این موضوع، این استراتژی برای مبارزه با اثر شاتل پلی سولفید در باتری‌های لیتیوم سولفور (Li-S) مورد استفاده قرار گرفت. یک سیستم الکترولیت خود ترمیم شونده، بر اساس ایجاد یک تعادل بین انحلال و رسوب پلی سولفیدهای لیتیوم در سطح مشترک گوگرد/الکترولیت، با ظرفیت پایدار 1450 میلی‌آمپر ساعت و راندمان کولمبی بالا با موفقیت توسعه  داده شد. برای بهبود بیشتر کارایی باتری‌های Li-S، الکترولیت‌های خود ترمیم شونده (SHEs) طراحی شد تا از فیبرینولیز، یک فرآیند بیولوژیکی که در رگ‌های خونی رخ می‌دهد، تقلید کند. در طی این فرایند، ماده افزودنی استفاده شده رسوب Li₂S را حل می‌کند و مشارکت بعدی آن را در چرخه‌های الکتروشیمیایی ممکن می‌سازد. بنابراین باتری‌های Li-S با ظرفیت بهینه شده می‌توانند بیش از 2000 بار چرخه شارژ و دشارژ را انجام دهند.

در آخر، تعدادی از دانشمندان باتری‌های یون روی آبی (ZIB) را طراحی کردند که در آن یک الکترولیت هیدروژلی می‌تواند به طور مستقل با پیوند هیدروژنی و بدون هیچ گونه محرک خارجی، عمل خود ترمیمی را انجام دهد. این باتری یون روی آبی که شامل کاتد، جداکننده و آند در یک ماتریس الکترولیت هیدروژل بود، در طول فرآیند تبدیل انجماد/ذوب این الکترولیت، بازیابی کامل عملکرد الکتروشیمیایی را حتی پس از چندین چرخه تخریب/ترمیم نشان داد. این رویکرد چشم‌اندازهای گسترده‌ای را برای ساخت باتری‌های مختلف خود ترمیم شونده برای استفاده به عنوان وسایل ذخیره انرژی پایدار در لوازم الکترونیکی پوشیدنی پیشنهاد می‌کند.

سایر راهکارهای خودترمیمی

ابزارهای خود ترمیم شونده که متشکل از ساختار نازک زرده-پوسته TiO₂@Si با SEI مصنوعی خود ترمیم شونده و SEI طبیعی هستند، نیز طراحی شده است. هنگامی که ساختار زرده-پوسته TiO₂@Si ترک می‌خورد، الکترولیت داخلی به دلیل انبساط حجمی سیلیکون در طول لیتیاسیون خارج می‌شود. این امر تماس بین هسته سیلیکونی و پوسته TiO₂ پوشیده شده با SEI مصنوعی را تضمین می‌کند. در نتیجه، SEI طبیعی تازه بر روی سطوح سیلیکون و پوسته TiO₂ برای اتصال و ترمیم ترک‌ها تشکیل می‌شود. با چنین ترفندی، بازدهی کولمبی بیش از 99.9٪ و پایداری عالی چرخه‌ای بدست آمد.

رشد دندریت برای مدت طولانی مشکلی در جلوگیری از توسعه باتری‌های فلز لیتیوم غیرآبی بوده است و به عنوان یک مانع فناوری برای توسعه باتری‌های لیتیوم حالت جامد امروزی است. جالب توجه است که تعدادی از دانشمندان با استفاده از آبکاری و جریان آبکاری بالا موفق به دستیابی به خود ترمیمی قابل توجهی از دندریت‌ها شدند. با جریان بالا، آن‌ها می‌توانند مهاجرت سطحی گسترده‌ای از یون لیتیوم را ایجاد کنند که سطح فلز لیتیوم را صاف می‌کند و توزیع جریان همگن مورد نیاز برای جلوگیری از رشد دندریت را تضمین می‌کند. استفاده از دوزهای مکرر ترمیم با چگالی جریان بالا منجر به باتری‌های لیتیوم سولفور حاوی 0.1 مولار LiNO₃ شد که با بازدهی کولمبی بالا چرخه شارژ و دشارژ را انجام داد.

اگرچه این روش‌های خودترمیمی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند، ولی مطالعات بررسی شده ضمن تشویق فعالیت‌های تحقیقاتی جدید و هیجان انگیز، منجر به ساخت باتری‌های خود ترمیم شونده‌ای شده است که مبنایی را برای روندهای تحقیقاتی جدید ایجاد کرده است.

بیشتر این باتری‌های تولید شده اساسا زیبا و جذاب هستند، اما عملی نیستند. چنین شکافی بین تولید آزمایشگاهی و کاربرد صنعتی باید پر شود، و این چالش‌های متعددی را ایجاد می‌کند که نیاز به تحقیق و توسعه فناوری نوآورانه دارد.

پیشرفت‌های مورد نیاز برای رویارویی با چالش‌ها

واکنش‌های ردوکس که در حین کار باتری اتفاق می‌افتند اغلب با واکنش‌های اضافی نامطلوبی همراه می‌شوند که محصولات حاصل از تخریب الکترود و حلال را آزاد می‌کنند (مثلا فلزات واسطه محلول یا گونه‌های آلی ناشی از تخریب الکترولیت). این فلزات آزاد شده یا گونه‌های آلی می‌توانند از غشاء عبور کرده و روی سطح آند رسوب کنند یا مکانیزم خود تخلیه شاتل را تحریک کنند. بنابراین، عملکردی کردن غشائی که بتواند یون‌های فلز واسطه حل شده را قبل از اینکه بر روی سطح آند کاهش یابد جذب کند، سودمند خواهد بود. گزینه دیگر پیوند پروتئین‌ها بر روی غشاء برای تنظیم مهاجرت گونه‌های آلی زائد است.

غشای عملکردی

استفاده از غشاهای جداکننده‌ به منظور به دام انداختن مولکول‌ها در داخل کانال‌های متخلخل غشا به چند دلیل جذاب است. 1) یون‌های محلول به دلیل انتشار و مهاجرت از طریق جداکننده منتقل می‌شوند، در نتیجه برای به دام افتادن توسط مولکول‌هایی که در غشاء قرار گرفته شده‌اند، در دسترس هستند. 2) تخلخل جداکننده سطح ویژه بالایی را در دسترس قرار می‌دهد، در نتیجه می‌توان تعداد بهینه‌ای از تله‌ها را در هر حجمی از غشاء قرار داد. تعداد زیاد سایت‌های حفره یونی، احتمال جذب یون را افزایش می‌دهد و تعداد یون‌هایی را که می‌توان در واحد حجم جذب کرد،  بیشتر می‌کند. 3) مولکول‌های به دام افتاده در داخل جداکننده‌های متخلخل به اندازه کافی از محل واکنش‌های الکتروشیمیایی دور هستند و از پتانسیل های منفی/مثبت که ممکن است بر پایداری آن‌ها تأثیر بگذارد محافظت می‌شوند. 4) غشاء جداکننده میزبان ایده‌آلی برای پیوند مولکول‌ها است که می‌تواند یون‌ها را در دمای اتاق جذب کند. 5) در آخر، جداکننده را نیز می‌توان به طور خاص با خواص خود ترمیمی، مانند الکترودها، طراحی کرد.

در میان گزینه‌هایی که با آن غشاء را می‌سارند، سیکلودکسترین‌ها به دلیل حلالیت بالا، حفره‌های داخلی چربی دوست، سطوح بیرونی آبدوست، فراهمی زیستی و توانایی تشخیص خاص برای مولکول‌ها/کاتیون‌های کوچک مهمان، بسیار مورد توجه هستند. این ویژگی‌ها سیکلودکسترین‌ها را قادر به تشکیل کمپلکس‌های انکلوژن می‌کند. علاوه بر داشتن خاصیت به دام انداختن ، وابستگی دمایی سیکلودکسترین امکان استفاده از دما به عنوان محرکی برای جذب یا رها سازی گونه‌های به دام افتاده را فراهم می‌آورد. مثال دیگر اترهای تاج یا کالیکسارن‌ها هستند، این ترکیبات اگرچه کمتر از نظر زیست محیطی پایدارند، استفاده از آن‌ها با ساختار بسیار بازشان امکان لنگر انداختن انواع لیگاندهای کیلیت را می‌دهد که قادر به تنظیم انتقال یون بدون خطر محاصره هستند. علاوه بر این، روش پیوند آن‌ها خیلی پیچیده نیست. اجرای چنین عملیاتی برای طراحی جداکننده‌های هوشمند، جدید و هیجان انگیز خواهد بود.

غشاهای پلیمری

غشاهای پلیمری به عنوان الکترولیت‌های پلیمری جامد در نظر گرفته می‌شوند و همچنین به عنوان مواد فعال ردوکس الکترود یا اجزای الکترولیت‌های حالت جامد هیبریدی در دست مطالعه هستند. حتی جمع کننده‌های جریان پلیمری با پوشش فلزی نیز به صورت تجاری عرضه می‌شوند. از آنجایی که پلیمرها را می‌توان در محل تشکیل داد یا به صورت متقابل پیوند داد، می‌توان از آن‌ها به عنوان عوامل ترمیم کننده مکانیکی در سلول باتری، مشابه رزین‌های اپوکسی یا سیانواکریلات استفاده کرد. علاوه بر این، آن‌ها می‌توانند به عنوان یک الگو برای تشکیل کپسول معدنی در مقیاس زمانی متوسط عمل کنند. با استفاده از اجزای کامپوزیتی، استفاده از پلیمرها در باتری‌ها تقریبا نامحدود است، که امکان توسعه استراتژی‌های خود ترمیم را برای اکثر اجزا و رابط‌های مبتنی بر پلیمرهای خود ترمیم کننده فراهم می‌کند. بر این اساس پلیمرها سنگ بنای استراتژی‌های خودترمیمی باتری‌های آینده را تشکیل می‌دهند.

مونتاژ فوق مولکولی ممکن است در کوتاه مدت یک مبنای منحصر به فرد برای پرداختن به چالش‌های دلهره آور مانند جلوگیری از تجزیه سریع الکترولیت‌های آلی یا آزادسازی مواد خود ترمیمی رسانا برای تعمیر الکترودها و رابط‌ها را ارائه دهد. پیوند هیدروژنی روش انتخابی برای تحقق این احتمالات است و می‌تواند برای اجزای باتری که می‌توانند ترکیبات آلی پروتیک را در خود جای دهند، استفاده شود. به طور مشابه، آینومرها را می‌توان با تشکیل کمپلکس‌های فلزی بین زنجیره‌هایی که گروه‌های کیلیت یونی را در خود جای داده‌اند، به صورت غیر کووالانسی مونتاژ کرد.

پیوند کووالانسی برگشت پذیر (S-S) نیز می‌تواند به جای برهمکنش‌های غیرکووالانسی استفاده شود، اما این موضوع نیاز به کار و پژوهش بیشتری دارد. در نهایت، اکتشاف سیستم‌های الکترولیت پلیمری جامد چند فازی می‌تواند امکان استفاده از استراتژی‌های مختلف خود ترمیمی را هر زمان که یک محرک می‌تواند باعث اختلاط مرزها شود را فراهم کند.

غشا با منبع زیستی

یک چالش دیگر تقلید از غشاهای بیولوژیکی است. ویژگی این غشاها، خاصیت گزینش پذیری آن‌هاست که برای کنترل تجزیه الکترولیت‌ها مناسب است و از این ویژگی به منظور بهبود فرسودگی باتری می‌توان استفاده کرد. یک نقطه عطف کلیدی در باتری‌ها، نظارت بر پایداری الکترولیت در داخل باتری با استفاده از یک حسگر حساس و انتخابی در مقیاس تک مولکولی است که با استفاده از فناوری نانوحفره با تشخیص الکتریکی انجام شود. برای اینکه این اتفاق بیفتد، باید غشاهای کنترل‌شده نازک و متخلخل را با استفاده از شیمی مولکول‌ها/پروتئین‌های غیرسمی و با منبع زیستی (مانند سیکلودکسترین‌ها) طراحی کنیم که انتخاب‌پذیری آن‌ها با استفاده از مهندسی پروتئین قابل دستیابی باشد.

الکترودهای خود ترمیم شونده

بازیابی خواص الکتریکی پس از آسیب به الکترود در دستگاه‌های ذخیره انرژی بسیار مهم است. در مورد غشاها، ژل‌های لغزنده ساخته شده از پیوندهای برگشت پذیر می‌توانند برای کنترل سازماندهی سطح و بهینه سازی کارایی دستگاه باتری استفاده شوند. مزیت اصلی ژل‌های لغزنده علاوه بر برهمکنش‌های فوق مولکولی آن‌ها، اثر چرخشی آن‌ها در امتداد زنجیره پلیمری برای جذب تنش است که با سازماندهی مجدد معماری زنجیره اجازه می‌دهد تا آن را به خواص اولیه خود بازگرداند. همچنین می‌توان از این ژل به‌عنوان بانداژ مکانیکی تقویت‌کننده استفاده کرد. گزینه دیگری برای تحقیق، ساخت الکترودهای کامپوزیتی حاوی میکروکپسول‌هایی است که قادر به آزاد کردن عوامل ترمیم کننده با اعمال یک محرک هستند، همانطور که در پزشکی با حامل دار شدن داروهای کپسوله شده انجام می‌شود. همچنین طراحی میکروکپسول‌هایی با پوسته‌های معدنی یا پلیمری، که میزبان نمک‌های مبتنی بر لیتیوم (Li) یا سایر ترکیبات هستند و پس از شکستن پوسته در اثر یک محرک آزاد می‌شوند، نیز ارزش کاوش دارد.

نگاهی به آینده

باتری‌های نسل آینده تنها به ابزارهای خودترمیم شونده (مانند پلیمرهای خود ترمیم شونده و آلیاژهای فلزی مایع) متکی نخواهد بود. بلکه شامل کامپوزیت‌های مواد متخلخل سه بعدی، کپسول‌ها، گونه‌های فوق مولکولی و پلیمرهایی می‌شوند که قادر به دریافت مولکول‌های خاص و آزاد کردن آن‌ها در پاسخ به محرک‌های فیزیکی یا شیمیایی برای ترمیم “بافت” تشکیل‌دهنده الکترود/رابط‌های الکترولیت و ذرات/ذره هستند. توسعه و اجرای خودترمیمی، به ترکیب شدن حسگرها و مواد خودترمیمی در باتری‌های نسل آینده نیاز دارد. ما امیدواریم که استفاده از محرک‌ها برای خودترمیمی، دامنه وسیعی از امکانات را در باتری‌ها باز کند. ما باید برای مقابله با این چالش‌های جدید جسور و روشن فکر باشیم و در عین حال دائما محدودیت‌های باتری را از نظر محیط شیمیایی و تولید در نظر داشته باشیم.