قدرت جادویی باتری‌های سیلیکاتی می‌تواند ذخیره‌سازی انرژی را ارزان‌تر، ایمن‌تر و کارآمدتر کند
پژوهشگران در مؤسسه پلی‌تکنیک ووستر واقع در ماساچوست، ایالات متحده، به استفاده از سیلیکات‌ها برای بهبود عملکرد باتری‌های آهنی پرداختند، که جایگزینی ارزان‌تر و ایمن‌تر برای باتری‌های لیتیوم-یونی است که امروزه به‌طور گسترده‌ای در بازار استفاده می‌شوند. این فناوری می‌تواند راهی اقتصادی و پایدار برای تامین انرژی شبکه با استفاده از انرژی تجدیدپذیر، به‌جای تکیه بر باتری‌های لیتیوم-یونی، فراهم کند.
با هدف کشورهای مختلف در کاهش انتشارات کربنی خود به صفر خالص تا سال ۲۰۵۰ و حتی زودتر در برخی موارد، موارد استفاده انرژی‌های تجدیدپذیر مانند پروژه‌های انرژی بادی و خورشیدی افزایش یافته است. این دو نوع انرژی متناوب هستند و در زمان‌های خاصی از روز در دسترس نیستند.
پروژه‌ها به راه‌حل‌های بزرگ ذخیره انرژی برای تامین درخواست‌های انرژی نیاز دارند، زمانی که راه‌حل‌های انرژی تجدیدپذیر برق تولید نمی‌کنند. در اکثر این پروژه‌ها از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌شود، زیرا آن‌ها تا کنون پرتراکم‌ترین راه‌حل انرژی ارائه شده توسط بشر هستند. مشکل این است که باتری‌های مبتنی بر لیتیوم به عناصری مانند نیکل و کبالت نیاز دارند که از نظر منابع قابل دسترس محدود هستند.
افزایش مقیاس این فناوری‌های ذخیره انرژی نیازمند استخراج گسترده از این منابع، از جمله لیتیوم است که پرهزینه و غیر پایدار است.
چرا از آهن استفاده نمی‌کنیم؟
پژوهشگران به دنبال رویکرد پایدارتر به ذخیره انرژی که می‌تواند به شبکه عرضه شود، بوده‌اند. مهندسی جالب قبلاً روش‌های متنوع غیر لی<ترجمه>تیومی را برای دستیابی به این هدف گزارش کرده است. برخی از این رویکردها، مانند باتری‌های آهنی، هنوز در مرحله توسعه هستند.
آهن، ماده‌ای بسیار فراوان است و کار کردن با آن هم پایدار و هم ارزان قیمت است. ایده استفاده از آهن در باتری‌ها از زمان توماس ادیسون، زمانی که این مخترع معروف از آن به همراه نیکل در باتری‌های آلکالینی استفاده کرد، مطرح بوده است.
آهن به راحتی واکنش‌های ردوکس انجام می‌دهد که نیز قابل بازگشت است و آن را برای فرآیندهای شارژ و دشارژ ایده‌آل می‌سازد. مانع در استفاده وسیع از آن، کارایی کم انرژی و ظرفیت ذخیره‌سازی پایین آن است.
زمانی که باتری‌های آهنی شارژ می‌شوند، گاز هیدروژن تولید می‌شود. “شما نمی‌خواهید هنگام شارژ باتری، گاز هیدروژن تولید کنید،” گفت پروفسور ژیاووی تنگ در مهندسی شیمی در WPI. “این تشکیل گاز، کارایی انرژی سیستم باتری را به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد.” هنگام دشارژ، باتری اکسید آهن تولید می‌کند که بی‌اثر است.
“تا زمانی که این چالش‌های فنی برطرف نشوند، باتری‌های مبتنی بر آهن نمی‌توانند در مقیاس تجاری مستقر شوند،” افزود تنگ. این جایی است که تیم او کشف کرد که سیلیکات‌ها می‌توانند کمک کنند.
تاثیر سیلیکات
سیلیکات‌ها ترکیبات ارزانی هستند که از واکنش سیلیکون و اکسیژن تشکیل می‌شوند. آن‌ها به صورت گسترده‌ای برای تولید شیشه، سیمان و عایق‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. وقتی به‌عنوان جزئی از الکترولیت در باتری‌های آهنی افزوده می‌شوند، سیلیکات‌ها تولید گاز هیدروژن را متوقف می‌کنند.
این ماده با واکنش قوی با الکترودهای باتری و مهار فرآیندهایی که هیدروژن تولید می‌کنند، این کار را انجام می‌دهد. تنگ مطمئن است که این رویکرد می‌تواند به شدت کارایی‌های انرژی باتری‌های آهن-نیکل و باتری‌های آهن-هوا را بهبود بخشد.
در حالی که این ممکن است به اندازه‌ای نباشد که بتوانید فوراً باتری‌های لیتیوم-یونی را در سطح شبکه جایگزین کنید، باتری‌های مبتنی بر آهن می‌تواند در مزارع خورشیدی و بادی فردی یا حتی برای تامین انرژی به میکروگرییدها مستقر شوند.
یافته‌های این مطالعه در مجله ChemSusChem منتشر شده است.
