اولین باتری جامد بدون آند جهان قوی، ارزان و با دوام است
یک تیم از محققان با ترکیب بهترین فناوری‌های باتری، اولین باتری جامد بدون آند سدیمی جهان را ساخته‌اند.
طراحی تیم از یک الکترولیت جامد پایدار و فشار برای تشکیل سدیم فلزی متراکم استفاده می‌کند. یک کلکتور جریان آلومینیومی تضمین می‌کند که پوشش‌دهی و تجزیه سدیم با ظرفیت‌ها و سرعت‌های بالا به‌طور مؤثر و مکرر انجام شود.
این نوع جدید از باتری ارزان‌تر و کمتر مضر برای محیط زیست خواهد بود زیرا آند حذف می‌شود و سدیم که ارزان و فراوان است به جای لیتیوم استفاده می‌شود.
«اگرچه باتری‌های سدیمی، جامد و بدون آند قبلاً وجود داشتند، هیچ‌کس تا کنون نتوانسته بود این سه ایده را با هم ترکیب کند»، گفت گریسون دیشیر، دانشجوی دکتری در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و نویسنده اول این مطالعه، در بیانیه‌ای.
به گفته تیم، این نوآوری می‌تواند به ایجاد باتری‌های ارزان، سریع‌شارژ و با ظرفیت بالا برای خودروهای الکتریکی (EVs) و ذخیره‌سازی شبکه‌ای کمک کند.
نوآوری باتری بدون آند
در مقایسه با سدیم که ۲۰,۰۰۰ بخش میلیون از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، لیتیوم فقط حدود ۲۰ بخش میلیون را تشکیل می‌دهد.
کمبود روزافزون باتری‌های لیتیوم‌یونی برای کامپیوترها، تلفن‌ها و خودروهای الکتریکی باعث افزایش شدید قیمت‌های آن‌ها شده است و آن‌ها را حتی بیشتر غیرقابل‌تحمل کرده است.
سدیم در محیط فراوان‌تر است و اغلب در آب دریا و استخراج خاکستر سودا یافت می‌شود.
برای تبدیل این ایده به واقعیت، گروه مجبور بود معماری کاملاً جدیدی برای باتری‌های سدیمی ایجاد کند تا باتری‌های سدیمی با چگالی انرژی شبیه به باتری‌های لیتیومی تولید کنند.
در باتری‌های معمولی، یون‌ها در طول فرآیند شارژ در آند ذخیره می‌شوند. وقتی باتری در حال کار است، یون‌ها از آند به کاتد یا کلکتور جریان از طریق الکترولیت حرکت می‌کنند و در این فرآیند خودرو و دستگاه‌های دیگر را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند.
به گفته محققان، باتری‌های بدون آند آند را حذف کرده و فلز قلیایی را مستقیماً روی کلکتور جریان رسوب می‌دهند و یون‌ها را به صورت الکتروشیمیایی در آنجا ذخیره می‌کنند. اگرچه این روش معایبی دارد، اما چگالی انرژی بیشتری، هزینه سلولی کمتر و ولتاژ سلولی بالاتری ارائه می‌دهد.
«در هر باتری بدون آند باید تماس خوبی بین الکترولیت و کلکتور جریان وجود داشته باشد. این معمولاً با استفاده از الکترولیت مایع بسیار آسان است، زیرا مایع می‌تواند به همه جا جریان یابد و هر سطحی را مرطوب کند. یک الکترولیت جامد نمی‌تواند این کار را انجام دهد»، گفت دیشیر.
الکترولیت‌های مایع باعث ایجاد یک تجمع به نام فاز بین‌الکترولیت جامد می‌شوند که به تدریج مواد فعال را مصرف کرده و کاربرد باتری را در طول زمان کاهش می‌دهد.
طرح نوآورانه باتری سدیمی
تیم یک راه‌حل نوآورانه با ایجاد یک کلکتور جریان که الکترولیت را احاطه می‌کند به‌جای رویکرد معمولی انجام داد.
آن‌ها از پودر آلومینیوم که می‌تواند مانند یک مایع جریان یابد، برای ساخت کلکتور جریان استفاده کردند. در طول مونتاژ باتری، این پودر تحت فشار بالا فشرده شد تا یک کلکتور جریان جامد ایجاد کند در حالی که تماس مایع‌مانند با الکترولیت حفظ شود.
به گفته محققان، این روش امکان چرخه‌زنی پر بازده و کم‌هزینه را فراهم می‌آورد و این فناوری تغییر دهنده بازی را پیشرفت می‌دهد.
«باتری‌های جامد سدیمی معمولاً به عنوان فناوری دور از دسترس آینده دیده می‌شوند، اما امیدواریم که این مقاله بتواند فشار بیشتری به سمت سدیم وارد کند با نشان دادن اینکه واقعاً می‌تواند به خوبی عمل کند، حتی در برخی موارد بهتر از نسخه لیتیومی»، دیشیر افزود.
تیم آینده‌ای را متصور می‌شود که در آن مجموعه‌ای از باتری‌های پاک و ارزان انرژی‌های تجدیدپذیر را ذخیره کنند که برای نیازهای جامعه تطبیق یافته است.
جزئیات تحقیق انجام شده توسط اعضای مدرسه مهندسی ملکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو و دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو در نشریه Nature Energy منتشر شد.
