این باتری جدید می‌تواند حتی در شرایط با نور و باد کم انرژی را ذخیره می‌کند!

پژوهشگران دانشکده مهندسی دانشگاه کلمبیا در حال توسعه انواع جدیدی از باتری‌ها برای بهبود روش‌های ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد هستند.

یک تیم پژوهشی از این دانشگاه اکنون موفق به ساخت “سوخت” باتری K-Na/S شده است. این باتری از پتاسیم، سدیم و گوگرد که به وفور در زمین یافت می‌شوند، استفاده کرده و به‌عنوان یک راه‌حل کم‌هزینه و پرانرژی برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی عمل می‌کند.

این باتری‌ها در دمای ۷۵ درجه سانتی‌گراد با غلظت ۱ مولار گوگرد به نزدیکی حداکثر ظرفیت ممکن (1655 میلی‌آمپر ساعت در هر گرم گوگرد) می‌رسند. در غلظت ۴ مولار گوگرد، 830 میلی‌آمپر ساعت در هر گرم در 2 میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تولید کرده و پس از 1000 چرخه شارژ، 71 درصد ظرفیت خود را حفظ می‌کنند.

پژوهشگران معتقدند این باتری‌ها به دلیل استفاده از مواد موجود در زمین و تولید 150 تا 250 وات‌ساعت در هر کیلوگرم انرژی، برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی بسیار امیدوارکننده هستند.

یوان یانگ، رهبر تیم و دانشیار در دپارتمان فیزیک کاربردی و ریاضیات در دانشکده مهندسی کلمبیا، در بیانیه‌ای اعلام کرد:

مهم است که بتوانیم طول عمر این باتری‌ها را افزایش دهیم و همچنین آن‌ها را به راحتی و با هزینه کم تولید کنیم.

طراحی نوآورانه باتری

اگرچه منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد برای حفظ محیط زیست حیاتی هستند، اما مشکل عمده آن‌ها این است که همیشه در زمان موردنیاز برق تولید نمی‌کنند.

برای بهره‌برداری کامل از این انرژی‌ها، باید راه‌های اقتصادی و موثری برای ذخیره انرژی تولید شده پیدا کنیم تا در نبود خورشید یا باد، همچنان برق در دسترس باشد.

باتری‌های K-Na/S با دو مشکل اصلی مواجه هستند؛ ظرفیت کم آن‌ها به دلیل تشکیل ترکیبات جامد غیرفعال K2S2 و K2S که فرایند انتشار را مسدود می‌کند. همچنین، این باتری‌ها نیاز به دماهای بسیار بالا (بیش از ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد) دارند که مدیریت حرارتی پیچیده‌ای را طلب می‌کند و هزینه را افزایش می‌دهد.

تحقیقات قبلی با مشکل ظرفیت کم و تشکیل رسوبات جامد مواجه بوده‌اند، بنابراین یک روش نوآورانه برای بهبود این نوع باتری‌ها ضروری بود.

برای بهبود عملکرد باتری، تیم پروفسور یانگ الکترولیت جدیدی بر پایه آمید طراحی کرد که انحلال‌پذیری ترکیباتی مانند K2S2 و K2S را افزایش می‌دهد و باعث بهبود حرکت یونی و نرخ واکنش‌ها می‌شود.

این طراحی در باتری‌های K-Na/S که ولتاژ بالاتری (حدود 2.1 ولت) نسبت به باتری‌های Na/S و K/S سنتی دارند و در دماهای پایین‌تری (۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به جای ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کنند، به کار گرفته شده است.

افزایش قابلیت اطمینان تامین انرژی

آزمایشات این تیم نشان داد که این الکترولیت توانایی حل کردن K2S2 و K2S را دارد و می‌تواند چگالی انرژی و توان باتری‌های K/S را که در دماهای متوسط عمل می‌کنند، بهبود بخشد.

با استفاده از مخلوطی از استامید و ε-کاپرولاکتام که قادر به حل کردن K2S تا 1.43 مولار در ۷۵ درجه سانتی‌گراد است، این باتری می‌تواند ظرفیتی نزدیک به ظرفیت تخلیه کامل (1655 میلی‌آمپر ساعت در هر گرم گوگرد) را در دمای ۷۵ درجه سانتی‌گراد به دست آورد.

با افزایش غلظت گوگرد تا ۴ مولار، باتری پس از ۱۰۰۰ چرخه، ۷۱ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرد. این سیستم انرژی‌های ویژه 150 تا 250 وات‌ساعت در هر کیلوگرم تولید می‌کند و به دلیل فراوانی مواد به‌کار رفته، کم‌هزینه است.

ژنگهائو یانگ، نویسنده همکار اول این مطالعه و دانشجوی دکترا تحت راهنمایی پروفسور یانگ، بیان کرد:

رویکرد ما توانسته است به ظرفیت‌های تخلیه نزدیک به پیش بینی نظری و طول عمر چرخه‌ای طولانی دست یابد. این در حوزه باتری‌های K/S با دمای متوسط بسیار هیجان‌انگیز است.

تیم پروفسور یانگ اکنون بر بهینه‌سازی ترکیب الکترولیت تمرکز دارد و در حال کار بر روی باتری‌های کوچک به اندازه سکه است، اما هدف نهایی آن‌ها افزایش مقیاس این فناوری برای ذخیره مقادیر زیادی از انرژی خواهد بود.

پژوهشگران معتقدند اگر این باتری‌های جدید موفق شوند، می‌توانند از منابع انرژی تجدیدپذیر حتی در زمان‌هایی که باد یا نور خورشید به مفدار کافی موجود نیست، تأمین برق پایدار و قابل‌اعتمادی را ارائه دهند.

پروفسور یانگ گفت:

پایدار کردن انرژی‌های تجدیدپذیر به ما کمک می‌کند تا شبکه‌های انرژی خود را تثبیت کنیم، وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهیم و به سوی آینده‌ای با انرژی پایدارتر حرکت کنیم.

جزئیات این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است.

منبع: Interestingengineering