به گزارش پایگاه خبری سیمای شهرآنلاین؛باتری‌های لیتیوم‌یونی (LiBs) که با جابه‌جایی یون‌های لیتیوم بین دو الکترود (کاتد و آند) شارژ و دشارژ (تخلیه) می‌شوند، همچنان پرمصرف‌ترین باتری‌های شارژشدنی در جهان هستند. با این حال، در دهه‌های اخیر، مهندسان انرژی به بررسی قابلیت باتری‌های جایگزین مبتنی‌بر مواد و یون‌های مختلف پرداخته‌اند.

یکی از این گزینه‌ها، باتری‌های سدیم‌یونی هستند که به‌جای لیتیوم، از یون‌های سدیمِ دارای بار مثبت برای انتقال بار بین آند و کاتد استفاده می‌کنند. از آنجا که سدیم فراوان‌تر از لیتیوم است، این باتری‌ها می‌توانند مقرون‌به‌صرفه‌تر از باتری‌های لیتیوم‌یونی باشند.

چالش باتری‌های سدیم‌یونی

الکترود مثبت (کاتد) در بسیاری از باتری‌های سدیم‌یونی از یک اکسیدِ لایه‌ای ساخته می‌شود؛ این ماده‌ بلوری از لایه‌های فلز-اکسیژن تشکیل شده و یون‌های سدیم در میان آن‌ها قرار دارند. واکنش‌های اکسایش‌کاهش (Redox) که فرآیندهای شیمیایی شارژ و دشارژ باتری را ممکن می‌سازند، معمولاً شامل انتقال الکترون‌ها از طریق یون‌های فلزی در کاتدهای اکسیدِ لایه‌ای هستند.

در برخی موارد، اتم‌های اکسیژن درون ساختار بلوری کاتد نیز در این واکنش‌ها نقش ایفا می‌کنند که می‌تواند چگالی انرژی (میزان انرژی ذخیره‌شده به ازای هر واحد جرم باتری) را افزایش دهد. با این حال، مطالعات گذشته نشان داده است که اکسیژنِ اکسیدشده در کاتدهای اکسیدِ لایه‌ای، پس از شرکت در واکنش‌های اکسایش‌کاهش، اغلب به حالت شیمیایی اولیه خود بازنمی‌گردد. این موضوع، به‌ویژه در شارژ و دشارژهای مکرر، می‌تواند به کاتد آسیب برساند و عملکرد باتری را کاهش دهد.

راهکار جدید: استفاده از آهن به‌عنوان واسطه‌های اکسایش‌کاهش

پژوهشگران دانشگاه نانجینگ و مؤسسات همکار، ماده کاتدی جدیدی با فرمول شیمیایی Na2/3Mn7/12Mg1/4Fe1/6O2 ساخته‌اند که حاوی سدیم، منگنز، منیزیم، آهن و اکسیژن است. این ماده به‌گونه‌ای طراحی شده که اکسیژن موجود در ساختار بلوری آن بتواند در واکنش‌های ذخیره‌سازی انرژی شرکت کند و تقریباً به‌طور کامل به حالت شیمیایی اولیه خود بازگردد.

در این طراحی، یون‌های آهن موجود در کاتد به‌عنوان واسطه‌های اکسایش‌کاهش (Redox Mediators) عمل می‌کنند. به‌طور خاص، یون‌های آهن با بارِ ۴ مثبت (Fe⁴⁺) در طول فرآیند شارژ، الکترون‌ها را از اتم‌های اکسیژنی دریافت می‌کنند که درون ساختار منظم و بلوریِ یک ماده (مثل کاتد باتری) قرار گرفته‌اند و بخشی از این ساختار هستند؛ در حالی که یون‌های آهن با بارِ ۲ مثبت (Fe²⁺) در طول دشارژ، الکترون‌ها را به اکسیژن اکسیدشده بازمی‌گردانند. این فرآیند، به‌طور چشمگیری برگشت‌پذیری واکنش‌های اکسایش‌کاهش اکسیژن را از ۷۵ درصد به ۹۹ درصد افزایش می‌دهد.

نتایج آزمایش‌ها

پژوهشگران با انجام یک مجموعه آزمایش، ماده کاتدی جدید خود را ارزیابی کردند و دریافتند که یون‌های آهن، برگشت‌پذیری واکنش‌های اکسایش‌کاهش اکسیژن را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. آن‌ها سپس از این ماده به‌عنوان کاتد در یک سلولِ کیسه‌ایِ سدیم‌یونی (Pouch Cell) استفاده کردند و عملکرد آن را در طی ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ بررسی کردند.

نتایج نشان داد که این کاتدِ فعال‌شده با اکسیژنِ شبکه‌ای، به سلول سدیم‌یونی اجازه می‌دهد تا به چگالی انرژی ۲۰۶ وات‌ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) دست یابد و به‌طور پایدار برای ۱۰۰ چرخه با نرخ جریان ۵۰ میلی‌آمپر بر گرم (mA/g) کار کند. همچنین، ظرفیت باتری پس از ۱۰۰ چرخه، ۸۷.۸ درصد حفظ شد که نشان‌دهنده پایداری بالای این کاتد است.

چشم‌انداز آینده

یافته‌های اولیه این پژوهش، قابلیت استفاده از آهن برای بهبود پایداری چرخه‌ای باتری‌های سدیم‌یونیِ پرانرژی را نشان می‌دهد. این مطالعه می‌تواند الهام‌بخش سایر پژوهشگران برای طراحی کاتدهایی با ترکیبات و ویژگی‌های مشابه باشد. در نهایت، این دستاورد می‌تواند به بهبود باتری‌های سدیم‌یونی و در نتیجه، تسریع در تجاری‌سازی و پذیرش گسترده آن‌ها کمک کند.