تاریخ انتشار : ۱۳۹۸/۰۲/۲۹ ساعت ۰۸:۴۵
کد مطلب : ۱۷۸۰۶۰
ساخت باتری‌هایی با قابلیت خود ترمیمی
گروه علم و فناوری: دانشمندان ژاپنی اخیراً موفق به توسعه باتری‌هایی با طول عمر بالا و قابلیت خودترمیمی شدند.
طول عمر و ظرفیت ذخیره سازی دو اصل مهم در باتری‌ها هستند. امروزه در دنیا از باتری‌ها در موارد گوناگونی استفاده می‌شود بنابراین رقابت جدی میان دانشمندان برای توسعه باتری‌هایی با قابلیت بالا وجود دارد.مهندسان "دانشگاه توکیو"(University of Tokyo) ژاپن در مطالعه‌ای دریافته‌اند اگر باتری‌ها با ماده‌ای موسوم به "اکسید ردکس اکسید اکسیژن "(Na۲RuO۳) ساخته شوند، قابلیت‌های آنها بسیار افزایش می‌یابد.
کاهش ظرفیت ذخیره سازی
امروزه ما "باتری‌های لیتیوم یون"(batteries lithium-ion) و "باتری‌های سدیم"(sodium batteries) داریم. اگرچه هر دو نوع باتری قدرتمند هستند، چرخه‌های تکراری شارژ کردن و استفاده از آنها می‌توانند به طور قابل توجهی با طول عمر آنها مرتبط باشد و ظرفیت ذخیره سازی آنها را در طول زمان کاهش دهد.اما مهندسان دانشگاه توکیو برای این مشکل، چاره اندیشیده و موفق به توسعه باتری‌هایی با قابلیت خود ترمیمی شده اند. پروفسور "آتسو یامادا"(Atsuo Yamada) و تیم او موفق به طراحی و توسعه باتری‌های خاصی شده‌اند که نه تنها طول عمر آنها زیاد است بلکه دارای ظرفیت بالایی نیز هستند.باتری‌ها معمولاً از لایه‌های مواد فلزی تشکیل شده‌اند. با شارژ و تخلیه شارژ باتری، این لایه‌ها شروع به تخریب می‌کنند و شکاف‌هایی به نام "نقص پشته سازی"(stacking faults) ایجاد می‌کنند.
این نقص، توانایی باتری برای ذخیره سازی و نگه داشتن شارژ را کاهش می‌دهد. علت این اتفاق به این دلیل است که مواد توسط یک نیروی ضعیف به نام "نیروی واندروالسی"(Van der Waals force) نگه داشته می‌شوند.نیروهای بین مولکولی بین مولکول‌های قطبی با نیروهای بین مولکولی بین مولکول‌های غیرقطبی باهم تفاوت دارند. معمولاً نیروهای بین مولکولی به نام نیروهای واندروالسی معروفند. وجود این نیروها در بین مولکول‌ها باعث می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع درآورد. اتم‌ها در مولکول‌ها توسط پیوندهای کووالانسی کنار هم نگه داشته شده‌اند.این نیرو به راحتی توسط فشار بر روی باتری‌ها در هنگام شارژ و استفاده از آن متوقف می‌شود. با این حال، یامادا و همکارانش مواد جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌توانند در برابر این فشار، مقاومت کند.
نیروی واندروالسی
آنها طی این مطالعه دریافتند اگر باتری با یک ماده موسوم به "اکسید ردکس اکسید اکسیژن "(Na۲RuO۳) ساخته شود، نه تنها تخریب چرخه شارژ و تخلیه شارژ کاهش می‌یابد، بلکه لایه‌ها نیز خود را تعمیر می‌کنند. این به این دلیل است که "اکسید ردکس اکسید اکسیژن" با نیرویی به نام "جاذبه کولومیک"(coulombic attraction) که به مراتب قوی‌تر از نیروی واندروالسی است، کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.یامادا در انتها افزود: توسط این روش نه تنها طول عمر باتری‌ها افزایش می‌یابد بلکه دیگر تخریب نمی‌شوند چرا که توسط این ماده قابلیت خود ترمیمی خواهند داشت. افزایش تراکم انرژی باتری اهمیت زیادی برای تحقق حمل و نقل الکتریکی دارد.
کاهش ظرفیت ذخیره سازی
امروزه ما "باتری‌های لیتیوم یون"(batteries lithium-ion) و "باتری‌های سدیم"(sodium batteries) داریم. اگرچه هر دو نوع باتری قدرتمند هستند، چرخه‌های تکراری شارژ کردن و استفاده از آنها می‌توانند به طور قابل توجهی با طول عمر آنها مرتبط باشد و ظرفیت ذخیره سازی آنها را در طول زمان کاهش دهد.اما مهندسان دانشگاه توکیو برای این مشکل، چاره اندیشیده و موفق به توسعه باتری‌هایی با قابلیت خود ترمیمی شده اند. پروفسور "آتسو یامادا"(Atsuo Yamada) و تیم او موفق به طراحی و توسعه باتری‌های خاصی شده‌اند که نه تنها طول عمر آنها زیاد است بلکه دارای ظرفیت بالایی نیز هستند.باتری‌ها معمولاً از لایه‌های مواد فلزی تشکیل شده‌اند. با شارژ و تخلیه شارژ باتری، این لایه‌ها شروع به تخریب می‌کنند و شکاف‌هایی به نام "نقص پشته سازی"(stacking faults) ایجاد می‌کنند.
این نقص، توانایی باتری برای ذخیره سازی و نگه داشتن شارژ را کاهش می‌دهد. علت این اتفاق به این دلیل است که مواد توسط یک نیروی ضعیف به نام "نیروی واندروالسی"(Van der Waals force) نگه داشته می‌شوند.نیروهای بین مولکولی بین مولکول‌های قطبی با نیروهای بین مولکولی بین مولکول‌های غیرقطبی باهم تفاوت دارند. معمولاً نیروهای بین مولکولی به نام نیروهای واندروالسی معروفند. وجود این نیروها در بین مولکول‌ها باعث می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع درآورد. اتم‌ها در مولکول‌ها توسط پیوندهای کووالانسی کنار هم نگه داشته شده‌اند.این نیرو به راحتی توسط فشار بر روی باتری‌ها در هنگام شارژ و استفاده از آن متوقف می‌شود. با این حال، یامادا و همکارانش مواد جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌توانند در برابر این فشار، مقاومت کند.
نیروی واندروالسی
آنها طی این مطالعه دریافتند اگر باتری با یک ماده موسوم به "اکسید ردکس اکسید اکسیژن "(Na۲RuO۳) ساخته شود، نه تنها تخریب چرخه شارژ و تخلیه شارژ کاهش می‌یابد، بلکه لایه‌ها نیز خود را تعمیر می‌کنند. این به این دلیل است که "اکسید ردکس اکسید اکسیژن" با نیرویی به نام "جاذبه کولومیک"(coulombic attraction) که به مراتب قوی‌تر از نیروی واندروالسی است، کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.یامادا در انتها افزود: توسط این روش نه تنها طول عمر باتری‌ها افزایش می‌یابد بلکه دیگر تخریب نمی‌شوند چرا که توسط این ماده قابلیت خود ترمیمی خواهند داشت. افزایش تراکم انرژی باتری اهمیت زیادی برای تحقق حمل و نقل الکتریکی دارد.
مرجع : ایسنا
