برکلی خواص جادویی منگنز را برای باتری‌های خودروهای الکتریکی ایمن‌تر، سریعتر و ارزان‌تر کشف کرد
با حرکت جهان به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر، تقاضا برای راه‌حل‌های کارآمد ذخیره‌سازی انرژی به شدت افزایش یافته است.
باتری‌های قابل شارژ لیتیم-یونی نقش مهمی در این انتقال به انرژی‌های تجدیدپذیر ایفا کرده‌اند، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروهای الکتریکی (EVs).
با این حال، وابستگی به منابع محدودی مانند نیکل و کبالت نگرانی‌هایی در مورد پایداری و هزینه‌ها ایجاد کرده است.
دانشمندان آزمایشگاه برکلی پیشنهاد کرده‌اند که منگنز می‌تواند برای ایجاد کاتدهای باتری با کارایی بالا استفاده شود. منگنز فلزی بسیار فراوان‌تر از نیکل و کبالت است. در واقع، پس از آلومینیوم، آهن و کلسیم، این فلز پنجمین فلز پر کاربرد در پوسته زمین است.
آنها یک روش جدید معرفی کرده‌اند که تولید مواد باتری مبتنی بر منگنز را آسان‌تر و ارزان‌تر می‌کند.
هان-مینگ هاو، دانشجوی دکتری در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی گفت: «روش‌های بسیاری برای تولید انرژی با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر وجود دارد، اما اهمیت در نحوه ذخیره‌سازی آن است.»
وی افزود: «با اعمال این رویکرد جدید، ما می‌توانیم از ماده‌ای استفاده کنیم که هم فراوان در زمین و هم کم‌هزینه است و برای تولید آن از مواد کاتد باتری‌های لیتیم-یونی موجود انرژی و زمان کمتری نیاز دارد. و این ماده می‌تواند به همان اندازه انرژی ذخیره کند و به همان خوبی عمل کند.»
فرایند جدید
پژوهشگران دریافتند که می‌توان از منگنز برای ساخت باتری‌های DRX (نمک‌های سنگی نا منظم) استفاده کرد. این‌ها یک نوع جدید ماده کاتدی در باتری‌های لیتیم-یونی هستند. آنها به دلیل ساختار منحصر به فردشان به عنوان "نمک‌های سنگی نا منظم" شناخته می‌شوند.
مطالعات قبلی پیشنهاد داده بودند که مواد DRX باید بسیار کوچک باشند (در اندازه نانو) تا به صورت کارآمد عمل کنند. این به معنای آسیاب شدن آنها بود که فرآیندی انرژی بر است.
به طرز شگفت‌آوری، پژوهش جدید کشف کرد که کاتدهای مبتنی بر منگنز با ذرات بزرگتر (1000 برابر) حتی می‌توانند عملکرد بهتری داشته باشند.
پژوهشگران یک روش جدید برای ایجاد مواد DRX مبتنی بر منگنز توسعه دادند.
این فرآیند شامل دو مرحله اصلی است. اول، یون‌های لیتیم از ماده کاتدی حذف می‌شوند. دوم، ماده در دمای پایین (حدود 200 درجه سانتی‌گراد) حرارت داده می‌شود.
این فرآیند دو روزه بسیار سریعتر از روش قدیمی ساخت این باتری‌ها است که بیش از سه هفته زمان می‌برد.
ذخیره‌سازی انرژی بهبود یافته
جالب است که فرآیند جدید یک نانوساختار نیمه مرتب درون ماده تشکیل داد که توانایی ذخیره و تحویل انرژی آن را بهبود می‌بخشد.
با مطالعه ماده در سطوح اتمی (میکروسکوپی الکترون) و ماکروسکوپی (اشعه ایکس)، تیم درک بهتری از عملکرد آن کسب کرد.
به گفته اطلاعیه خبری ، این دانش می‌تواند برای توسعه روش‌های جدید ساخت کاتدهای مبتنی بر منگنز و بهبود طراحی مواد باتری آینده در مقیاس نانو استفاده شود.
هاو در اطلاعیه خبری چنین نتیجه‌گیری کرد: «ما اکنون درک بهتری از نانوساختار منحصر به فرد ماده داریم و فرآیندی سنتز را برای ایجاد این تغییر فاز در ماده که عملکرد الکتروشیمیایی آن را بهبود می‌بخشد، توسعه داده‌ایم. این یک قدم مهم است که این ماده را به کاربردهای باتری در دنیای واقعی نزدیک‌تر می‌کند.
در حال حاضر، هزینه‌های بالای تولید و چالش‌های بازیافت مرتبط با باتری‌های لیتیم، توجه به باتری‌های مبتنی بر منگنز را افزایش داده است. همچنین نگرانی‌های در مورد استخراج لیتیم وجود دارد.
اگر این روش به صورت گسترده‌تری مورد استفاده قرار گیرد، باتری‌های مبتنی بر منگنز می‌توانند به طور قابل توجهی به پیشرفت بخش انرژی کمک کنند و نیازهای آینده را برآورده کنند.
یافته‌ها در مجله Nature Nanotechnology. منتشر شده است.
