شیمیدانان دانشگاه «ام‌آی‌تی»، یک کاتد باتری را از مواد آلی ساخته‌اند که می‌تواند اتکای صنعت خودروهای الکتریکی را به فلزات کمیاب کاهش دهد.

به گزارش ایسنا، بسیاری از خودروهای الکتریکی با باتری‌هایی کار می‌کنند که حاوی کبالت هستند. کبالت، فلزی است که هزینه‌های مالی، زیست‌محیطی و اجتماعی بالایی دارد.

به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، پژوهشگران دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) اکنون یک ماده را برای باتری طراحی کرده‌اند که می‌تواند راه پایدارتری را برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی ارائه دهد. این باتری جدید لیتیوم-یونی به جای کبالت یا نیکل که اغلب در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شوند، یک کاتد مبتنی بر مواد آلی دارد.

این گروه پژوهشی نشان دادند این ماده که با هزینه بسیار کمتری نسبت به باتری‌های حاوی کبالت تولید می‌شود، می‌تواند جریان الکتریکی را با میزان مشابه باتری‌های کبالت هدایت کند. به گفته پژوهشگران، باتری جدید ظرفیت ذخیره‌سازی قابل مقایسه‌ای دارد و می‌تواند سریع‌تر از باتری‌های کبالت شارژ شود.

«میرچا دینکا»(Mircea Dincă) استاد انرژی در دانشگاه ام‌آی‌تی گفت: من معتقدم که این ماده می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد زیرا واقعا خوب کار می‌کند. این ماده در حال حاضر با فناوری‌های کنونی قابل رقابت کردن است و می‌تواند در کاهش دادن هزینه‌ها و مشکلات زیست‌محیطی مربوط به استخراج فلزاتی که در حال حاضر در باتری‌ها استفاده می‌شوند، موثر باشد.

جایگزین‌های کبالت

بیشتر خودروهای الکتریکی از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌کنند. این باتری‌ها زمانی شارژ می‌شوند که یون‌های لیتیوم از یک الکترود با بار مثبت به نام کاتد، به یک الکترود منفی به نام آند جریان می‌یابند. در بیشتر باتری‌های لیتیوم-یونی، کاتد حاوی کبالت است و این فلز، پایداری و چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهد.

با وجود این، کبالت معایب قابل توجهی دارد. این یک فلز کمیاب است و قیمت آن می‌تواند به شدت در نوسان باشد. استخراج کبالت، شرایط کاری خطرناکی را به وجود می‌آورد و زباله‌های سمی را تولید می‌کند که به آلودگی زمین، هوا و آب اطراف معادن منجر می‌شوند.

دینکا گفت: باتری‌های کبالت می‌توانند انرژی زیادی را ذخیره کنند و همه ویژگی‌هایی را دارند که مردم از نظر عملکرد به آنها اهمیت می‌دهند اما این مشکلات را دارند که به طور گسترده در دسترس نیستند، هزینه آنها همیشه در نوسان است و با انتقال یافتن به نسبت بسیار بالاتری از وسایل نقلیه برقی در بازار مصرف، مطمئنا گران‌تر می‌شوند.

به دلیل معایب فراوان کبالت، پژوهش‌های بسیاری برای توسعه مواد جایگزین انجام شده‌اند. یکی از این مواد، «لیتیوم-آهن-فسفات»(LFP) است که برخی از خودروسازان، استفاده از آن را در خودروهای الکتریکی آغاز کرده‌اند. اگرچه LFP از نظر عملی سودمند است اما تنها حدود نیمی از چگالی انرژی باتری‌های کبالت و نیکل را دارد.

یکی دیگر از گزینه‌های جذاب، مواد آلی هستند اما بیشتر این مواد تاکنون نتوانسته‌اند رسانایی، ظرفیت ذخیره‌سازی و طول عمر باتری‌های حاوی را تامین کنند. به دلیل رسانایی کم، چنین موادی معمولا باید با اتصال‌دهنده‌هایی مانند پلیمرها مخلوط شوند که به آنها در حفظ شبکه رسانا کمک می‌کند. این اتصال‌دهنده‌ها که حداقل ۵۰ درصد از کل مواد را تشکیل می‌دهند، ظرفیت ذخیره‌سازی باتری را پایین می‌آورند.

آزمایشگاه دینکا حدود شش سال پیش، کار کردن روی پروژه‌ای را با بودجه «لامبورگینی»(Lamborghini) آغاز کرد تا نوعی باتری آلی بسازد که بتوان از آن برای تامین کردن انرژی خودروهای الکتریکی استفاده کرد. دینکا و دانشجویانش روی مواد متخلخل کار می‌کردند که تا حدی آلی و تا حدی غیرآلی بودند. آنها متوجه شدند که یک ماده کاملا آلی ساخت آنها ممکن است یک رسانای قوی باشد.

این ماده از لایه‌های زیادی از «بیس تترا آمینو بنزوکینون»((bis-tetraaminobenzoquinone یا (TAQ) تشکیل شده که یک مولکول کوچک آلی شامل سه حلقه شش‌ضلعی ذوب‌شده است. این لایه‌ها می‌توانند در هر جهت به سمت بیرون گسترش یابند و ساختاری را شبیه به گرافیت تشکیل دهند. درون مولکول‌ها، گروه‌های شیمیایی موسوم به «کینون»(Quinone) قرار دارند که مخزن الکترون‌ها هستند و «آمین‌ها»(Amine) که به مواد کمک می‌کنند تا پیوندهای هیدروژنی قوی را تشکیل دهند.

این پیوندهای هیدروژنی، مواد را بسیار پایدار و بسیار نامحلول می‌کنند. این نامحلول بودن مهم است زیرا از حل شدن مواد در الکترولیت باتری جلوگیری می‌کند. این کاری است که برخی از مواد آلی باتری انجام می‌دهند و در نتیجه، طول عمر آن را بالا می‌برند.

دینکا گفت: یکی از روش‌های اصلی تخریب مواد آلی این است که آنها به سادگی در الکترولیت باتری حل می‌شوند، به طرف دیگر باتری می‌روند و یک اتصال کوتاه را ایجاد می‌کنند. اگر مواد را کاملا نامحلول کنیم، این فرآیند اتفاق رخ نمی‌دهد. بدین ترتیب، می‌توانیم بیش از ۲۰۰۰ چرخه شارژ را با حداقل تخریب داشته باشیم.

عملکرد قوی

آزمایش‌های صورت‌گرفته روی این ماده نشان دادند که رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی آن با باتری‌های سنتی حاوی کبالت قابل مقایسه است. همچنین، باتری‌های دارای کاتد TAQ سریع‌تر از باتری‌های موجود شارژ و دشارژ می‌شوند. این ویژگی می‌تواند سرعت شارژ خودروهای الکتریکی را افزایش دهد.

برای تثبیت کردن مواد آلی و افزایش دادن توانایی آنها برای چسبیدن به عامل جمع‌کننده جریان باتری که از مس یا آلومینیوم ساخته شده است، پژوهشگران موادی مانند سلولز و لاستیک را اضافه کردند. این مواد کمتر از یک دهم کامپوزیت کلی کاتد را تشکیل می‌دهند. بنابراین، ظرفیت ذخیره‌سازی باتری را به میزان قابل توجهی پایین نمی‌آورند. همچنین، این مواد با جلوگیری از ترک خوردن کاتد هنگام جریان یافتن یون‌های لیتیوم به داخل آن هنگام شارژ شدن باتری، طول عمر کاتد باتری را افزایش می‌دهند.

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت این نوع کاتد، یک پیش‌ساز کینون و یک پیش‌ساز آمین هستند که در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس قرار دارند و در مقادیر زیادی تولید می‌شوند. پژوهشگران تخمین می‌زنند که هزینه مواد مورد نیاز برای مونتاژ این باتری‌های آلی می‌تواند حدود یک سوم تا یک دوم هزینه باتری‌های کبالت باشد.

آزمایشگاه دینکا قصد دارد به توسعه مواد باتری جایگزین ادامه دهد و در حال بررسی جایگزین کردن لیتیوم با سدیم یا منیزیم است که ارزان‌تر و فراوان‌تر از لیتیوم هستند.

این پژوهش در مجله «ACS Central Science» به چاپ رسید.