باتری‌های فلزی روی پایه آب کارآمد و سازگار با محیط زیست

باتری های فلزی روی جدید می توانند ارزان، کارآمد، بادوام، ایمن و سازگار با محیط زیست باشند. جهان به باتری های ارزان و قدرتمندی نیاز دارد که بتوانند برق تولید شده پایدار از باد یا نور خورشید را ذخیره کنند تا بتوانیم هر زمان که به آن نیاز داشتیم از آن استفاده کنیم، حتی زمانی که هوا تاریک است یا باد نمی وزد. رایج‌ترین باتری‌هایی که تلفن‌های هوشمند و خودروهای الکتریکی ما را تامین می‌کنند، باتری‌های لیتیوم یونی هستند. این باتری ها بسیار گران هستند زیرا تقاضای جهانی برای لیتیوم در حال افزایش است و این باتری ها نیز بسیار قابل اشتعال هستند. باتری‌های روی پایه آب جایگزین امیدوارکننده‌ای برای این باتری‌های لیتیوم یونی هستند. یک تیم بین‌المللی از محققان اکنون استراتژی ابداع کرده‌اند که پیشرفت‌های کلیدی را برای توسعه چنین باتری‌های روی را به ارمغان می‌آورد و آنها را قوی‌تر، ایمن‌تر و سازگارتر با محیط زیست می‌کند.

دوام یک چالش است

تعدادی از مزایای باتری های روی وجود دارد: روی فراوان، ارزان و دارای زیرساخت های بازیافت بالغ است. علاوه بر این، باتری های روی می توانند مقدار زیادی برق را ذخیره کنند. مهم‌تر از همه، باتری‌های روی لزوماً به استفاده از حلال‌های آلی بسیار قابل اشتعال به عنوان مایع الکترولیت نیاز ندارند، زیرا می‌توانند در عوض با استفاده از الکترولیت‌های مبتنی بر آب نیز ساخته شوند. وقتی باتری‌های روی با ولتاژ بالا شارژ می‌شوند، آب موجود در مایع الکترولیت روی یکی از الکترودها واکنش نشان می‌دهد و گاز هیدروژن را تشکیل می‌دهد. هنگامی که این اتفاق می افتد، مایع الکترولیت کاهش می یابد و عملکرد باتری کاهش می یابد. علاوه بر این، این واکنش باعث ایجاد فشار اضافی در باتری می شود که می تواند خطرناک باشد. مسئله دیگر تشکیل رسوبات اسپیکی روی در هنگام شارژ باتری است که به نام دندریت شناخته می شود که می تواند در باتری نفوذ کند و در بدترین حالت حتی باعث اتصال کوتاه شود و باتری را غیر قابل استفاده کند.

نمک ها باتری‌ها را سمی می کنند

در سال‌های اخیر، مهندسان استراتژی غنی‌سازی الکترولیت مایع آبی با نمک‌ها را دنبال کرده‌اند تا محتوای آب را تا حد امکان پایین نگه دارند. اما معایبی نیز در این مورد وجود دارد: این مایع الکترولیت را چسبناک می کند که فرآیند شارژ و تخلیه را به میزان قابل توجهی کند می کند. علاوه بر این، بسیاری از نمک های مورد استفاده حاوی فلوئور هستند که آنها را سمی و برای محیط زیست مضر می کند. در حال حاضر محققان به طور سیستماتیک غلظت نمک ایده‌آل برای باتری‌های یون روی مبتنی بر آب را جستجو کند. با استفاده از آزمایش‌هایی که توسط شبیه‌سازی رایانه‌ای پشتیبانی می‌شوند، آنها توانستند نشان دهند که غلظت نمک ایده‌آل، همانطور که قبلاً فرض شد، بالاترین غلظت ممکن نیست، بلکه نسبتاً پایین است: پنج تا ده مولکول آب در هر یون مثبت نمک.

عملکرد طولانی مدت و شارژ سریع

علاوه بر این، محققان از هیچ نمک مضر برای محیط زیست برای بهبود خود استفاده نکردند و به جای آن نمک های دوستدار محیط زیست اسید استیک به نام استات را انتخاب کردند. آنها معتقدند با غلظت ایده‌آل استات‌ها، ما توانستیم کاهش الکترولیت‌ها را به حداقل برسانیم و از دندریت‌های روی جلوگیری کنیم، درست مانند سایر دانشمندان که قبلاً با غلظت‌های بالای نمک‌های سمی انجام دادند. مطالعه. علاوه بر این، با رویکرد ما، باتری ها می توانند بسیار سریعتر شارژ و دشارژ شوند. تاکنون، محققان  استراتژی باتری جدید خود را در مقیاس آزمایشگاهی نسبتا کوچک آزمایش کرده‌اند. گام بعدی این است که رویکرد را افزایش دهیم و ببینیم آیا می توان آن را برای باتری های بزرگ نیز استفاده کرد. در حالت ایده‌آل، ممکن است روزی به‌عنوان واحد ذخیره‌سازی در شبکه برق برای جبران نوسانات، مثلاً، یا در زیرزمین خانه‌های یک‌خانواری استفاده شود تا امکان استفاده از انرژی خورشیدی تولید شده در طول روز در عصر فراهم کرد. قبل از اینکه باتری های روی برای بازار آماده شوند، هنوز چالش هایی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد: باتری ها از دو الکترود  آند و کاتد و مایع الکترولیت بین آنها تشکیل شده اند. ما نشان دادیم که با تنظیم ترکیب الکترولیت، می‌توان شارژ کارآمد آندهای روی را فعال کرد. با این حال، در آینده، مواد کاتد عملکردی نیز باید بهینه شوند تا باتری‌های روی بادوام و کارآمد را به دست آورند.