توسعه باتری‌های کم‌هزینه و پرانرژی توسط MIT با استفاده از کاتدهای نمک‌سنگ نامرتب
در دهه گذشته، نمک‌سنگ نامرتب به عنوان ماده کاتد نویدبخش برای باتری‌های لیتیوم-یونی و کلیدی برای ایجاد ذخیره‌سازی کم‌هزینه و پرانرژی برای همه چیز از تلفن‌های همراه گرفته تا خودروهای الکتریکی و ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر مورد مطالعه قرار گرفته است.
مطالعه جدید MIT این ماده را به تحقق این وعده نزدیک می‌کند.
تیمی از محققان به سرپرستی پروفسور جو لی، پروفسور شرکت برق توکیو در مهندسی هسته‌ای و استاد علم و مهندسی مواد، یک کلاس جدید از کاتد نمک‌سنگ نامرتب جزئی با پلی‌آنیون‌ها - نامیده شده دیس‌اوردر راک سالت-پلی‌آنیونیک اسپینل یا DRXPS - که توانایی ذخیره‌سازی انرژی بالا در ولتاژهای بالا با پایداری چرخه‌ای بهبود یافته را ارائه می‌دهد، توصیف کرده‌اند.
ییمنگ هوانگ، پژوهشگر پسا‌دکترا در دانشکده علوم و مهندسی هسته‌ای و نویسنده اول مقاله‌ای که امروز در Nature Energy منتشر شده، گفت: «معمولاً در مواد کاتدی میان چگالی انرژی و پایداری چرخه‌ای تعویض وجود دارد ... و با این کار ما هدف داریم تا این تعویض را با طراحی شیمی‌های کاتدی جدید بهبود دهیم.»
او افزود، «این خانواده مواد دارای چگالی انرژی بالا و پایداری چرخه‌ای خوب است زیرا دو نوع عمده مواد کاتدی، نمک‌سنگ و پلی‌آنیونیک اولیوین، را ترکیب می‌کند، بنابراین از مزایای هر دو برخوردار است.»
عنصر فراوان در زمین
نکته مهم این است که خانواده مواد جدید عمدتاً از منگنز ساخته شده که عنصری فراوان در زمین و به طور قابل توجهی ارزان‌تر از نیکل و کبالت است که امروزه در کاتدها استفاده می‌شوند.
لی گفت: «منگنز حداقل پنج برابر ارزان‌تر از نیکل و حدود ۳۰ برابر ارزان‌تر از کبالت است.»
«منگنز همچنین یکی از کلیدها برای رسیدن به چگالی‌های بالاتر انرژی است، بنابراین این ماده فراوان در زمین یک مزیت فوق‌العاده است.»
لی و همکارانش نوشتند که این مزیت به ویژه بحرانی خواهد بود زیرا جهان به دنبال ساخت زیرساخت انرژی تجدیدپذیر مورد نیاز برای آینده‌ای کم‌کربن یا بدون کربن است.
باتری‌ها بخش بسیار مهمی از این تصویر خواهند بود، نه تنها به این دلیل که قابلیت جذب کربن از حمل و نقل با استفاده از خودروهای الکتریکی، اتوبوس‌ها و کامیون‌ها را دارند بلکه به دلیل اینکه برای مقابله با مسائل بین‌قابلیت باد و خورشید، انرژی اضافی را ذخیره کرده و در شب یا در روزهای آرام که تولید انرژی تجدیدپذیر کاهش می‌یابد، به شبکه بازمی‌گردانند، ضروری خواهند بود.
آنها نوشتند که با توجه به هزینه‌های بالا و کمیابیت نسبی موادی مانند کبالت و نیکل، تلاش برای افزایش سریع ظرفیت ذخیره‌سازی الکتریکی احتمالاً منجر به افزایش شدید هزینه‌ها و کمبودهای مهم مواد خواهد شد.
لی گفت: «اگر ما می‌خواهیم برق‌رسانی واقعی به تولید انرژی، حمل و نقل و بیشتر دست یابیم، نیاز داریم باتری‌هایی با مواد فراوان در زمین داشته باشیم تا انرژی فوتوولتائیک متناوب و باد را ذخیره کنیم.»
موانع در مواد موجود
مطالعه جدید یکی از چالش‌های عمده پیش روی کاتدهای نمک‌سنگ نامرتب - حرکت اکسیژن - را مورد بررسی قرار داد.
در حالی که مواد به مدت طولانی به دلیل ارائه ظرفیت بسیار بالا - تا 350 میلی‌آمپر-ساعت در هر گرم - در مقایسه با مواد کاتدی سنتی که معمولاً دارای ظرفیت‌هایی بین 190 و 200 میلی‌آمپر-ساعت در هر گرم هستند، شناخته شده‌اند، آنها بسیار پایدار نیستند.
ظرفیت بالا تا حدی توسط اکسایش اکسیژن فعال می‌شود زمانی که کاتد به ولتاژهای بالا شارژ می‌شود.
اما وقتی این اتفاق می‌افتد، اکسیژن متحرک می‌شود و با الکترولیت واکنش می‌دهد و باعث خرابی ماده می‌شود، که در نهایت پس از چرخه‌های مداوم آن را به طور موثر بی‌فایده می‌کند.
برای غلبه بر این چالش‌ها، هوانگ عنصر دیگری - فسفر - را اضافه کرد که مانند چسب عمل کرده و اکسیژن را در جای خود نگه می‌دارد تا از خرابی جلوگیری کند.
لی توضیح داد: «نوآوری اصلی اینجا و نظریه پشت طراحی این است که ییمنگ درست مقدار مناسبی فسفر اضافه کرده و به اصطلاح پلی‌آنیون‌ها را با اتم‌های اکسیژن همسایه‌اش تشکیل داده کرده است، به طوری که می‌توانیم آنها را محکم نگه داریم.»
«این اجازه به ما می‌دهد که اساساً انتقال اکسیژن را که به دلیل پیوند کووالانسی قوی بین فسفر و اکسیژن رخ می‌دهد، متوقف کنیم... به این معنی که می‌توانیم از ظرفیت اکسیداکسیژن استفاده کنیم و همچنین پایداری خوب داشته باشیم.»
لی گفت که توانایی شارژ باتری‌ها به ولتاژهای بالاتر حیاتی است زیرا اجازه می‌دهد سیستم‌های ساده‌تری برای مدیریت انرژی ذخیره شده آنها استفاده شود.
او می‌گوید: «می‌توانید بگویید که کیفیت انرژی بالاتر است. هرچه ولتاژ در هر سلول بالاتر باشد، نیاز کمتری به اتصال آنها به صورت سری در بسته باتری دارید و سیستم مدیریت باتری ساده‌تر خواهد بود.»
