7 دقیقه
پیش‌زمینه: باتری یون هیدریدی چیست؟
پژوهشگران مؤسسه فیزیک شیمیایی دالیان (DICP) وابسته به آکادمی علوم چین، برای نخستین‌بار یک باتری شارژی مبتنی بر یون هیدرید (H⁻) را که در دمای محیط کار میکند، نشان داده‌اند. یونهای هیدرید در واقع اتمهای هیدروژن هستند که یک الکترون اضافی دارند؛ به‌دلیل جرم بسیار کم و خواص اکسیداسیون-کاهش متمایز، H⁻ بهعنوان حامل بار جایگزین برای نسل بعدی دستگاه‌های الکتروشیمیایی مورد توجه قرار گرفته است. پیشرفت در این حوزه به‌طور تاریخی با یک مشکل کلیدی روبه‌رو بوده است: فقدان الکترولیت‌هایی که هم هدایت سریع یون هیدرید را فراهم کنند و هم پایداری حرارتی و الکتروشیمیایی و سازگاری مناسب با الکترودها را داشته باشند.
برای درک اهمیت این دستاورد لازم است چند مفهوم پایه‌ای را مرور کنیم. هدایت یونی در الکترولیت‌های جامد وابسته به سازوکار عبور یونها از شبکه کریستالی و تعاملات میان یون و فاز میزبان است. در مورد یونهای هیدرید، چالشها شامل فراهمسازی کانال‌های انتقال با انرژی پتانسیل پایین، کنترل واکنشهای جانبی با الکترودها و حفظ پایداری فاز در بازه دمایی عملیاتی می‌شوند. علاوه بر این، هماهنگ‌سازی خواص الکترولیت با الکترودها (برای جلوگیری از کاهش/اکسایش غیرمطلوب یا تولید گونه‌های نامطلوب) از الزامات کلیدی طراحی هر سامانه باتری جدید است.
آزمایش و مواد: یک الکترولیت هسته–پوسته جدید برای هیدرید
پژوهشگران اولین باتری حالتجامد یون هیدریدی که در دمای محیط کار میکند را توسعه داده‌اند. Credit: DICP
تیم DICP مسئله الکترولیت را با طراحی یک مرکب هسته–پوسته الهام‌گرفته از هترواجنشین حل کرده است که با نام 3CeH3@BaH2 شناخته می‌شود. در این ساختار، پوسته‌ای نازک از هیدرید باریم (BaH2) هستهٔ هیدرید سریم (CeH3) را احاطه میکند. CeH3 هدایت ذاتی بالای یون هیدرید را تامین میکند، در حالی که پوستهٔ BaH2 به پایداری ساختاری و الکتروشیمیایی کمک میکند. این ترکیب امکان هدایت سریع یون H⁻ در دمای محیط را فراهم کرده و هم‌زمان مقاومت در برابر تخریب طی شرایط معمول کاری باتری را ارتقا میدهد.
به‌طور فنی، مزایای هسته–پوسته عبارتند از: ایجاد اختلاف شیمیایی و الکتریکی کنترل‌شده در فصل مشترک که میتواند موانع انرژی انتقال را کاهش دهد، حفاظت هسته فعال از تماس مستقیم با الکترودها یا محیط الکترولیتی تهاجمی، و بهبود انسجام مکانیکی که مانع از تکه‌تکه‌شدن ذرات در چرخه‌های شارژ/دشارژ می‌شود. از منظر سینتز، تولید چنین مرکبی ممکن است شامل مراحل مختلفی مانند آسیاب مکانیکی (ball-milling) تحت اتمسفر محافظ، گرمادهی‌های کنترل‌شده و پوشش‌دهی شیمیایی سطح باشد؛ هر یک از این مراحل میتواند پارامترهای تحریک‌کننده متفاوتی را روی هدایت یونی و پایداری تخصیص دهد.
مونتاژ باتری و معیارهای عملکرد
با استفاده از این الکترولیت، پژوهشگران یک نمونه اولیه حالتجامد کامل با پیکربندی سلولی CeH2 | 3CeH3@BaH2 | NaAlH4 مونتاژ کردند. آلانات سدیم (NaAlH4)، که یک ترکیب شناخته‌شده برای ذخیره هیدروژن است، بهعنوان ماده فعال کاتد مورد استفاده قرار گرفت. در دمای محیط، الکترود مثبت ظرفیت اولیهٔ دشارژ 984 mAh g⁻1 را نشان داد و پس از 20 چرخه هنوز 402 mAh g⁻1 باقی ماند.
در یک پیکربندی روی‌هم‌چیده (stacked) نمونهٔ اولیه ولتاژ عملیاتی حدود 1.9 ولت تولید کرد و توانست یک چراغ LED زرد رنگ را روشن کند؛ این امر آزمون بار ساده‌ای را برای اثبات توانایی تأمین بار عملیاتی فراهم ساخت. چنین آزمایش‌های ساده اما مشخص، نشاندهندهٔ امکان انتقال از اثبات مفهوم (proof-of-concept) به مرحله‌ای است که نشانه‌هایی از قابلیت کار در شرایط واقعی مشاهده شود.
برای بررسی‌های الکتروشیمیایی، معمولاً از تکنیک‌هایی مانند طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)، ولتامتری چرخهای و سیکل‌زنی گالوانواستاتیک استفاده می‌شود تا پارامترهایی مانند مقاومتِ داخلی، نرخ انتقال یون و بازده کولیومتریک تعیین شوند. در کار DICP نیز باید از این ابزارها برای بررسی مکانیزم انتقال H⁻، پدیده‌های رابطی و شکست‌های احتمالی فاز در چرخه‌های متناوب بهره برده باشند. علاوه بر این، مشخصه‌یابی ساختاری با تکنیک‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و آنالیز سطوح با XPS یا AES اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ تغییرات فازی و ترکیب پوسته/هسته ارائه می‌دهند.
یافته‌های کلیدی، ایمنی و پیامدها
الکترولیت هسته–پوسته سه مانع بحرانی را پشت سر گذاشت: انتقال سریع هیدرید در دمای محیط، پایداری حرارتی، و سازگاری با الکترودها. استفاده از حامل‌های بار مبتنی بر هیدروژن همچنین از تشکیل دندریتهای فلزی جلوگیری میکند — پدیده‌ای که در برخی باتریهای آنودی فلزی منبع شورت‌سیرکت و خطرات ایمنی است — و از این منظر میتواند ایمنی عملیاتی را بهبود بخشد.
به‌گفتهٔ پروفسور پینگ چن و همکارانش در DICP، شیمی قابل تنظیم مواد هیدریدی مسیرهای جدیدی برای بهینه‌سازی ظرفیت، قابلیت عملکرد در نرخ‌های بالا (rate capability) و چرخه‌پذیری باز میکند. این بدین معناست که با تغییر ترکیب شیمیایی، اندازه ذرات، ضخامت پوسته یا شرایط سینتز می‌توان خواص الکترولیت و واجدهای الکترودی را تا حدی مهندسی کرد تا عملکرد کلی سامانه بهبود یابد.
اگرچه این نتایج یک نمایش آزمایشگاهی اولیه هستند و نه یک محصول آماده برای بازار، اما پیشرفت مهمی در مواد و طراحی به‌شمار می‌روند که می‌توانند به سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی پاک و کارآمد مبتنی بر شیمی یون هیدرید منتهی شوند. در حوزهٔ تحقیقات مواد، دستیابی به رسانایی یونی بالا در دمای محیط همراه با پایداری الکتروشیمیایی و مکانیکی، نقطهٔ عطفی است که میتواند پنجرهٔ تازه‌ای برای کاربردهای نوآورانه باز کند.
همچنین باید توجه کنیم که استفاده از هیدریدها به‌معنای مواجهه با چالش‌های جدیدی مانند واکنشهای جانبی احتمالی با آلودگی‌های سطحی، از دست رفتن هیدروژن به‌صورت گاز در شرایط نامناسب و نیاز به کنترل دقیق شرایط تولید و پردازش است. مدیریت این ریسک‌ها مستلزم توسعهٔ فرآیندهای مقیاس‌پذیر و کنترل کیفیت مواد خام و فرایندهای پوشش‌دهی است.
افق‌های آتی
گام‌های بعدی شامل بهبود طول عمر چرخهای، افزایش مقیاس تولید الکترولیت مرکب، و یکپارچه‌سازی معماری‌های کامل سلولی است که برای بهینه‌سازی چگالی انرژی، توان خروجی و قابلیت ساخت در سطح صنعتی طراحی شده‌اند. به‌علاوه، لازم است قابلیت تولید انبوه مواد هسته–پوسته با یکنواختی بالا و هزینهٔ قابل قبول اقتصادی بررسی و توسعه یابد.
در صورت دستیابی به این اهداف فنی، باتریهای یون هیدریدی می‌توانند مکملی برای شیمی‌های شارژی موجود در ذخیره‌سازی شبکه، دستگاه‌های قابل‌حمل یا کاربردهای خاصی باشند که در آن‌ها جرم پایین و مزایای الکتروشیمیایی مبتنی بر هیدروژن مزیت‌های منحصربه‌فردی ارائه می‌دهند. برای مثال:
- ذخیره‌سازی شبکه‌ای با نیاز به چرخه‌های بلند و ایمنی بالا، که میتواند از مقاومت بهتر در برابر دندریت جلوگیری کند.
- دستگاه‌های قابل‌حمل با محدودیت‌های وزنی که بهره‌وری انرژی بر حسب جرم اهمیت دارد.
- کاربردهای هوافضا یا حسگرها که در آن‌ها عملکرد در دماهای متنوع و جرم کم نقش کلیدی دارد.
با این حال، چالشهایی مانند هزینهٔ مواد، حساسیت به رطوبت یا اکسیژن، و ایجاد زنجیرهٔ تأمین مناسب برای فلزات خاکی و ترکیبات هیدریدی باید حل شوند تا این فناوری به بلوغ تجاری برسد. از منظر پژوهشی، کارهای بعدی احتمالاً تمرکز بر طراحی رابط‌های پایدارتر، کاهش مقاومت سطحی و بهبود بازده فرایندهای تولید خواهد داشت.
در مجموع، دستاورد DICP نقطهٔ آغازی است برای مجموعه‌ای از مسیرهای تحقیقاتی بین‌رشته‌ای — از علم مواد و شیمی سطح تا مهندسی فرایند و الکترودسازی — که هدفشان تبدیل پتانسیل جذاب یون هیدریدی به فناوری‌های واقعی و قابل‌اعتماد است.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر