بسیاری از خودروهای برقی با باتری های حاوی کبالت کار می کنند، فلزی که هزینه های مالی، زیست محیطی و اجتماعی بالایی دارد.
محققان MIT قبلاً یک ماده باتری طراحی کرده اند که می تواند راه پایدارتری برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی ارائه دهد. باتری لیتیوم یونی جدید به جای کبالت یا نیکل (فلز دیگری که معمولا در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود) یک کاتد مبتنی بر مواد آلی دارد.
در یک مطالعه جدید، محققان نشان داده‌اند که این ماده که می‌تواند با هزینه بسیار کمتری نسبت به باتری‌های حاوی کبالت تولید شود، می‌تواند جریان الکتریکی را با نرخی مشابه با باتری‌های کبالت هدایت کند. به گفته محققان، باتری جدید همچنین ظرفیت ذخیره سازی قابل مقایسه ای دارد و می تواند سریعتر از باتری های کبالت شارژ شود.
میرچا دینکا، پروفسور انرژی WM Keck در MIT می‌گوید: «من فکر می‌کنم این ماده می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد زیرا واقعاً خوب کار می‌کند. “این در حال حاضر قابل رقابت با فن آوری های موجود است و می تواند بسیاری از هزینه ها، درد و مشکلات زیست محیطی مرتبط با استخراج فلزات مورد استفاده در باتری ها را کاهش دهد.”
دینکا نویسنده اصلی این مطالعه است که امروز ظاهر می شود در دفتر خاطرات علوم مرکزی ACS. دکترای Tianyang Chen ’23 و Harish Banda، فوق دکترای سابق MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند. نویسندگان دیگر عبارتند از Jiande Wang، یک فوق دکترای MIT. جولیوس اوپنهایم، دانشجوی MIT؛ و الساندرو فرانچسکی، دانشیار پژوهشی دانشگاه بولونیا.
جایگزین های کبالت
بیشتر خودروهای الکتریکی توسط باتری‌های لیتیوم یونی تغذیه می‌شوند، نوعی باتری که وقتی یون‌های لیتیوم از یک الکترود با بار مثبت به نام کاتد به یک الکترود با بار منفی به نام آند عبور می‌کنند، شارژ می‌شوند. در اکثر باتری‌های لیتیوم یونی، کاتد حاوی کبالت است، فلزی که پایداری و چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهد.
با این حال، کبالت دارای معایب قابل توجهی است. یک فلز کمیاب، قیمت آن می تواند به شدت در نوسان باشد، و بسیاری از ذخایر کبالت جهان در کشورهای بی ثبات سیاسی یافت می شود. استخراج کبالت شرایط کاری خطرناکی را ایجاد می کند و زباله های سمی تولید می کند که زمین، هوا و آب اطراف معادن را آلوده می کند.
باتری‌های کبالت می‌توانند انرژی زیادی را ذخیره کنند و همه ویژگی‌هایی را دارند که مردم از نظر کارایی به آنها اهمیت می‌دهند، اما مشکل آنها این است که به‌طور گسترده در دسترس نیستند و هزینه آن بسته به قیمت کالاها بسیار متفاوت است. دینکا می‌گوید و با حرکت به سمت نسبت بسیار بالاتری از وسایل نقلیه الکتریکی در بازار مصرف، مطمئناً گران‌تر می‌شود.
با توجه به معایب فراوان کبالت، تحقیقات زیادی بر روی توسعه مواد جایگزین باتری متمرکز شده است. یکی از این مواد لیتیوم فسفات آهن (LFP) است که برخی از خودروسازان شروع به استفاده از آن در خودروهای الکتریکی کرده‌اند. اگرچه LFP هنوز از نظر عملی مفید است، اما تنها حدود نیمی از چگالی انرژی باتری‌های کبالت و نیکل را دارد.
یکی دیگر از گزینه های جذاب مواد آلی است، اما تاکنون اکثر این مواد نتوانسته اند به رسانایی، ظرفیت ذخیره سازی و طول عمر باتری های حاوی کبالت برسند. به دلیل رسانایی کم، چنین موادی معمولاً باید با چسب‌هایی مانند پلیمرهایی که به حفظ شبکه رسانا کمک می‌کنند، مخلوط شوند. این کلاسورها که حداقل 50 درصد کل مواد را تشکیل می دهند، ظرفیت ذخیره سازی باتری را کاهش می دهند.
حدود شش سال پیش، آزمایشگاه دینکا کار خود را بر روی پروژه ای با بودجه لامبورگینی برای توسعه یک باتری ارگانیک که می تواند برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد، آغاز کرد. دینکا و شاگردانش در حین کار بر روی مواد متخلخل که بخشی آلی و بخشی غیرآلی بودند، متوجه شدند که مواد کاملاً آلی که ساخته بودند به نظر می‌رسد می‌تواند رسانایی قوی باشد.
این ماده از لایه های زیادی از TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone) تشکیل شده است، یک مولکول کوچک آلی که شامل سه حلقه شش ضلعی ذوب شده است. این لایه‌ها می‌توانند در هر جهتی به سمت بیرون گسترش یافته و ساختاری شبیه گرافیت را تشکیل دهند. درون مولکول‌ها گروه‌های شیمیایی به نام کینون‌ها که مخازن الکترون هستند و آمین‌ها وجود دارند که به مواد کمک می‌کنند پیوندهای هیدروژنی قوی تشکیل دهند.
این پیوندهای هیدروژنی مواد را بسیار پایدار و همچنین بسیار نامحلول می کند. این نامحلول بودن مهم است زیرا از حل شدن مواد در الکترولیت باتری جلوگیری می کند، همانطور که برخی از مواد آلی باتری انجام می دهند و در نتیجه عمر باتری را افزایش می دهد.
یکی از روش های اصلی برای تجزیه مواد آلی این است که آنها به سادگی در الکترولیت باتری حل می شوند و به سمت دیگر باتری حرکت می کنند و اساساً یک اتصال کوتاه ایجاد می کنند. اگر مواد را کاملا نامحلول کنید، این فرآیند اتفاق نخواهد افتاد، بنابراین می‌توانیم به بیش از 2000 چرخه شارژ با حداقل تخریب برویم.»
عملکرد قوی
آزمایش‌های این ماده نشان داده است که رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی آن با باتری‌های سنتی حاوی کبالت قابل مقایسه است. علاوه بر این، باتری‌های کاتدی TAQ می‌توانند سریعتر از باتری‌های موجود شارژ و دشارژ شوند که می‌تواند سرعت شارژ خودروهای الکتریکی را تسریع کند.
برای تثبیت مواد آلی و افزایش توانایی آن برای چسبیدن به کلکتور جریان باتری که از مس یا آلومینیوم ساخته شده است، محققان پرکننده هایی مانند سلولز و لاستیک اضافه کردند. این پرکننده ها کمتر از یک دهم کل کامپوزیت کاتدی را تشکیل می دهند، بنابراین ظرفیت ذخیره سازی باتری را به میزان قابل توجهی کاهش نمی دهند.
این پرکننده‌ها همچنین عمر کاتد باتری را افزایش می‌دهند و از ترک خوردن آن هنگام جریان یون‌های لیتیوم به داخل کاتد در حین شارژ شدن باتری جلوگیری می‌کنند.
مواد اصلی مورد نیاز برای تولید این نوع کاتد، یک پیش ساز کینون و یک پیش ساز آمین است که در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس بوده و در مقادیر زیادی به عنوان مواد شیمیایی کالا تولید می شود. محققان تخمین می زنند که هزینه مواد مونتاژ این باتری های آلی می تواند حدود یک سوم تا یک دوم هزینه باتری های کبالت باشد.
لامبورگینی مجوز ثبت اختراع این فناوری را صادر کرده است. آزمایشگاه دینکا قصد دارد به توسعه مواد جایگزین باتری ادامه دهد و در حال بررسی جایگزینی احتمالی لیتیوم با سدیم یا منیزیم است که ارزان‌تر و رایج‌تر از لیتیوم هستند.
