مهندسی مولکولی بهبود طراحی غشاء برای باتری‌های جریان ردوکس کارآمد و ارزان‌تر
یک غشاء جدید برای باتری‌های جریان ردوکس که توسط محققان کالج امپریال لندن و با همکاری تیم‌هایی از موسسه فیزیک شیمیایی دالیان (DICP) و صنعت عمده BP طراحی شده است، در توسعه باتری‌های کارآمد و مقرون به‌صرفه در آینده کمک خواهد کرد، به نقل از یک اطلاعیه مطبوعاتی نهاد.
برای انتقال هموار به سمت یک اقتصاد انرژی پاک، جهان نیازمند راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی پایدار و قابل مقیاس است که بتوانند از فاصله‌های زماني انرژی تجدید پذیر بکاهند. باتری‌های لیتیوم-یون به‌طور گسترده‌ای برای ایفای این نقش به‌کار رفته‌اند، اما هزینه‌های مرتبط، مانع بزرگی در پذیرش گسترده‌ی آن‌ها است.
باتری‌های جریان از دو محلول جداگانه برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کنند که آن‌ها را قابل مقیاس‌سازی کرده و به عنوان یک گزینه قابل قبول برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ مطرح می‌کند. پژوهش‌های اخیر در این حوزه منجر به توسعه انواع مختلف باتری شده است که عملکرد بالا یا اجزای کم‌هزینه را ارائه می‌دهند. اما تولید آن‌ها در مقیاس انبوه دشوار بوده است.
کاری که توسط محققان کالج امپریال و همکارانشان انجام شده به این نگرانی پرداخته است.
نقش غشاها
غشایی که دو محلول را جدا می‌کند، جزء مهمی از باتری جریان ردوکس است. نقش غشاء این است که تبادل سریع یون را تضمین کند و در عین حال از عبور متقابل الکترولیت‌های فعال جلوگیری نماید.
به‌صورت معمولی، از موادی مانند اسید سولفونیک پرفلئورو استفاده می‌شود که فقط گران نیستند، بلکه برای محیط‌زیست نیز مضر هستند. تولید این غشاها از مواد شیمیایی مانند PFAS، که به عنوان "مواد شیمیایی همیشگی" شناخته می‌شوند، استفاده می‌کند و سازمان‌های حفاظت از محیط‌زیست به شدت آن‌ها را تنظیم می‌کند.
غشاهای هیدروکربنی مانند پلی(اتر اتر کتون) سولفونه (sPEEK) بسیار ارزان‌تر به تولید می‌رسند و به آسانی قابل مقیاس‌بندی هستند. یک تیم به رهبری شیافنگ لی در DICP تولید غشاهای sPEEK به روش رول به رول و ادغام آن‌ها در باتری‌های در مقیاس شبکه‌ای را در سال 2022 به نمایش گذاشت.
با این حال، عملکرد این غشاها هم‌تراز با غشاهای معمولی استفاده‌شده نیست، زیرا آن‌ها به دنبال دستیابی به تعادل بین انتخاب‌پذیری و هدایت یونی هستند.
فناوری غشاء جدید
همکاری پژوهشی به بهبود این موضوع پرداخته است با مهندسی غشاهای sPEEK با حضور تک‌پوری ذاتی برای دستیابی به هدایت یونی بهتر همراه با ثبات شیمیایی. این با افزودن تریپتیکن مونومر سه بعدی به غشاهای sPEEK محقق شد.
غشاهای مهندسی شده دارای کانال‌های آب متصل هستند که انتقال سریع و انتخابی یون‌ها را برای اجرای باتری بسیار کارآمد و با کمترین اتلاف انرژی را ممکن می‌سازد.
"با مهندسی فرآیند سولفوراسیون و فعال‌سازی معماری میکروپورس، غشاها به شاخص‌های عملکرد فوق‌العاده دست می‌یابند، به‌ویژه هدایت یونی که تعارض بین هدایت یونی و انتخاب‌پذیری را کاهش می‌دهد"، گفت توبی وونگ، پژوهشگر فوق‌دکترا در بخش مهندسی شیمی کالج امپریال در اطلاعیه مطبوعاتی .
تیم سپس غشاها را با باتری‌های جریان ردوکس با جریان‌های تا 500 میلی‌آمپر در هر سانتی‌متر مربع آزمایش کرد. غشاهای عملکرد بهتر از آنچه تا کنون گزارش شده است. حالا محققان قصد دارند با جایگزینی پیوندهای اتر برای افزایش پایداری شیمیایی در شرایط قلیایی سخت، طراحی را بیشتر بهبود ببخشند.
در حال حاضر، تیم امپریال می‌تواند این غشاها را تا اندازه A4 تولید کند. با همکاری DICP، محققان می‌خواهند از روش ریخته‌گری غشاء رول به رول برای افزایش تولید غشاء استفاده کنند.
یافته‌های پژوهش در مجله Joule منتشر شده است.
