ساخت باتری‌ با الهام از ساختار روده انسان

[farnaz]

به‌تازگی باتری‌هایی ساخته شده‌اند که تا ۵ برابر انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های عادی ذخیره می‌کنند.

دانشمندان نمونه‌ی آزمایشی از یک باتری را توسعه داده‌اند که با الهام از آناتومی روده‌ی انسان و با استفاده از رویکرد اطلاعات بیولوژیکی، می‌تواند راه را برای ذخیره‌ی انرژی بیشتر در دستگاه‌های دیجیتالی هموار کند.
این نمونه از باتری نسبت به باتری‌ها‌ی لیتیوم-یونی که در گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شود، تا ۵ برابر ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بیشتری دارد. جنس این باتری از لیتیوم-سولفور است و با تقلید از عملکرد روده، قادر است چگالی انرژی بیشتری در اختیار تجهیزات الکترونی قرار دهد که ذخیره‌ی انرژی بیشتر باعث می‌شود تولید آن به‌صورت تجاری قابل توجیه باشد.

این تحقیق که توسط تیمی از دانشگاه کمبریج انگلستان انجام یافته است، توانسته به یکی از اشکالات اساسی باتری‌های لیتیوم-سولفور غلبه کند. این گونه باتری‌ها اگرچه چگالی انرژی بیشتری ارائه می‌دهند؛ اما نسبت به باتری‌های یون لیتیوم عمر کمتری دارند و کیفیت خود را با سرعت بیشتری از دست می‌دهند.
زمانی که یک باتری لیتیوم-سولفور تخلیه‌ی شارژ (دشارژ) می‌کند، سولفور موجود در کاتد (الکترود مثبت در باتری)، لیتیوم موجود در آند (الکترود منفی باتری) را جذب می‌کند. این کنش‌ باعث می‌شود مولکول‌های سولفور (گوگرد) به ساختار زنجیر مانندی به اسم پلی‌سولفید (poly-sulphide) تبدیل شوند.

زمانی که این نوع باتری چرخه‌های زیادی از شارژ و دشارژ را تجربه می‌کند، کاتد باتری تحت فشار قرار می‌گیرد و قسمت‌هایی از پلی‌سولفید می‌شکند و وارد الکترولیت باتری می‌شود. گفتنی است الکترولیت، مایعی با رسانایی بالای الکتریکی است که دو الکترود را به هم مرتبط می‌کند. وقتی این اتفاق می‌افتد، پروسه‌ی انحطاط باتری شروع می‌شود و باتری مواد فعال خود را که محل ذخیره‌ی انرژی هستند را از دست می‌دهد و همین‌جا است که آناتومی روده، الهام‌بخش ایده‌ی جدید بوده است.
در بدن انسان، روده‌ی کوچک دارای میلیون‌ها برآمدگی انگشت مانند به نام ویلی (villi) است. این برآمدگی‌ها در سرتاسر دیواره‌های روده وجود دارند و به جذب مواد غذایی هنگام هضم غذا کمک می‌کنند. وجود این برآمدگی‌ها باعث گستردگی بسیار بیشتر سطح روده تا ۳۰ برابر شده است. با استفاده از این اصل، تیم تحقیقاتی نوعی نانو‌سازه‌ی کم‌وزن شبیه ویلی توسعه داده‌اند. زمانی که پلی‌سولفید‌ می‌شکند، توسط برآمدگی‌های نانوسازه گرفتار و از ورود آن به الکترولیت جلوگیری می‌شود.

این سازه‌ ویلی مانند، در واقعی لایه‌‌ای است که توسط سیم‌های بسیار ریز اکسید روی پوشیده شده است. این لایه روی سطوح الکترود‌های باتری قرار می‌گیرد. سپس زمانی که مواد فعال باتری رها می‌شوند، توسط این لایه مهار شده و دسترسی الکتروشیمیایی آن را برای آند و کاتد حفظ می‌کنند که در نتیجه از انحطاط باتری جلوگیری می‌شود. دانشمند مواد شناس، پل کاکسن (Paul Coxon) از دانشگاه کمبریج می‌گوید:

این لایه با این که بسیار کوچک است اما بسیار پراهمیت است. این لایه ما را از تنگنای موجود در مسیر توسعه‌ی باتری‌های بهتر رها کرده است.

افراد زیادی برای سال‌ها روی توسعه‌ی باتری‌های یون لیتیومی کار کرده‌اند، اما در تجاری‌سازی آن به مشکل برمی‌خوردند و مشکل فوق از این امر ناشی می‌شود که بعد از مدتی سولفور در الکترولیت ماده حل شده و ظرفیت باتری کاهش پیدا می‌کند. اما به لطف سازه‌های ویلی شکل، شاید این مشکل برای همیشه حل شده باشد. یکی از محققان، تنگ ژائو (Teng Zhao) در این ارتباط می‌گوید:

این برای اولین بار است که راه‌حل استفاده از یک لایه‌ی شیمیایی با طراحی دقیق و ساختار نانویی برای به دام انداختن و استفاده‌ی مجدد از ماده‌ی فعال باتری هنگام شارژ و دشارژ آن پیشنهاد شده است. با الهام گرفتن از دنیای واقعی، توانسته‌ایم راه‌حلی ارائه کنیم که امیدواریم به توسعه‌ی سریع‌تر باتری‌های نسل بعد کمک کند.

در روند آزمایش‌ها مشخص شد که نمونه‌ی آزمایشی باتری لیتیوم-سولفور جدید؛ بعد از پشت سر گذاشتن ۲۰۰ چرخه‌ی شارژ و دشارژ، تنها ۰.۰۵ درصد از ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی خود را به ازای هر چرخه  از دست می‌دهد که تقریبا با دوام باتری یون لیتیوم برابری می‌کند. لازم است به این نکته اشاره شود که این میزان برای باتری‌های یون لیتیومی برای هر چرخه و بعد از گذشت ۲۰۰ چرخه، برابر ۰.۰۲۵ تا ۰.۰۴۸ درصد است.
محققان می‌دانند که با استفاده نمونه‌ی آزمایشی باتری نسل جدید، تنها ایده‌ی خود را اثبات کرده‌اند و هنوز راه زیادی برای تجاری‌سازی این باتری‌ها پیش رو دارند. ممکن است سال‌ها طول بکشد تا استفاده از باتری‌های لیتییوم-سولفور را در لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند و کنسول‌های دستی شاهد باشیم.
اما اکنون می‌دانیم که چگونه این پلتفرم انرژی را پایدار کنیم و پی بردن به چگونگی روند فوق به عنوان قدم بزرگی به شمار می‌رود که ما موفق شده‌ایم به سوی باتری‌های قدرتمند‌تر برداریم؛ باتری‌هایی که ما را از محدودیت‌های باتری‌های یون لیتیومی رها می‌کند. کاکسن در این باره چنین گفته است:

باتری‌های جدید، روشی برای دور زدن مشکلاتی است که با باتری‌های امروزی داریم. همه‌ی ما تا حدودی به دستگاه‌های الکترونیک خود وابسته‌ایم. تنها هدف ما این است کاری کنیم که این دستگاه‌ها بهتر کار کنند تا شاید زندگی برای ما کمی بیشتر خوشایند شود.