محققان دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد در حال توسعه یک ماده الکترودی کارآمد و مؤثر برای استفاده در باتری‌های سدیم هستند. این باتری‌ها جایگزین پایداری برای باتری‌های لیتیوم-یون فراهم می‌کنند، چرا که آن‌ها مقرون‌به‌صرفه و فراوان‌تر هستند. با این حال، در حال حاضر به دلیل ظرفیت پایین، آن‌ها نمی‌توانند با باتری‌های لیتیومی با عملکرد بالا رقابت کنند. تیم تحقیق سوئدی امیدوار است که شکاف بین این فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی را کاهش داده و مسیری به سمت راهکارهای پایدارتر باتری در صنعت انرژی فراهم کند. این یادداشت به بررسی اجمالی این تحقیق و چگونگی استفاده از گرافن برای برآورده کردن تقاضای انرژی سبز می‌پردازد.
گرافن ژانوس که به عنوان یک نانوماده جدید شناخته می‌شود، یک راهکار جدید ذخیره‌سازی انرژی پایدار است که می‌تواند عملکرد باتری‌های سدیم-یون را بهبود بخشد. این ایده تحول‌آفرین که جایگزینی برای باتری‌های لیتیوم-یون ارائه می‌دهد، توسط دانشمندان دانشگاه فناوری چالمرز سوئد، در حال توسعه است.
چالش‌های باتری سدیم-یون
سدیم یک فلز فراوان و مقرون به صرفه است. این فلز به راحتی در دسترس است، از آنجا که در آب دریا یافت می‌شود و در نمک آشپزخانه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، ظرفیت پایین این فلز مشکل بزرگی است که مانع استفاده از آن به عنوان راهکار اصلی ذخیره‌سازی‌سازی انرژی می‌شود.
گرافیت در حال حاضر یک عامل محدود کننده است زیرا از آن به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شود. در این مورد، یون‌ها قادرند در گرافیت قرار گیرند و به داخل و خارج از لایه‌های گرافن حرکت کرده و سپس برای انرژی ذخیره‌سازی می‌شوند. با توجه به اینکه یون‌های سدیم از نظر ساختار بزرگ‌تر از یون‌های لیتیوم هستند، برهمکنش آن‌ها یک‌سان نیست و بنابراین یون‌های سدیم نمی‌توانند به طور مؤثر در گرافیت ذخیره‌سازی شوند.
برای غلبه بر این چالش، یک راهکار جدید با استفاده از گرافن ژانوس پیشنهاد شده است.
گرافن ژانوس؛ راهکار نوآورانه
پژوهشگران دریافتند که استفاده از گرافن ژانوس به دلیل افزایش ظرفیت سدیم-یون، کاربرد دارد، نتیجه تلاش‌های آن‌ها در ۲۸ می سال ۲۰۲۱ در مجله Science Advances منتشر شد.
در این مورد، صفحات گرافن با یک طرف عامل‌دار شده با یک مولکول استفاده می‌شود که به عنوان فاصله دهنده و همچنین محل فعال یون سدیم عمل می‌کند. برهمکنش‌های الکترواستاتیک و اتصالات ساخته‌شده از طریق پیوندهای کووالانسی، ساختار منحصر به فرد انباشته گرافن ژانوس را فراهم می‌کند. این کار باعث می‌شود که چیدمان دارای اندازه منفذ همسان و نیز کنترل بر عامل‌دار کردن باشد که برای ظرفیت انرژی مفید خواهد بود.
جین‌هوآ سان، پژوهشگر ارشد، دانشکده علوم صنعتی و مواد دانشگاه فناوری چالمرز گفت: «ما یک فاصله‌دهنده مولکول را در یک طرف لایه گرافن اضافه کردیم. وقتی لایه‌ها به هم متصل می‌شوند، مولکول فضای بزرگ‌تری را بین صفحات گرافن ایجاد کرده و یک نقطه تعامل به وجودمی‌آورند که به ظرفیت قابل توجهی منجر می‌شود.»
ظرفیت بین لایه‌ای سدیم با گرافیت، ۳۵ میلی‌آمپر ساعت در گرم است که مشخص می‌کند این شیوه در باتری‌های لیتیوم-یون به طور موثرتری عمل می‌کند. این میزان یک دهم ظرفیت لیتیوم-یون است که ناکارآمدی باتری‌های سدیم-یون که از آند گرافیتی استفاده می‌کنند را نشان می‌دهد.
تحقیقات جدید که توسط سان و همکاران با هدف افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی یون‌های سدیم با استفاده از گرافن ژانوس انجام گرفته، موجب افزایش ظرفیت بین لایه‌ای سدیم به 332 میلی‌آمپر ساعت در گرم شده است. با انجام این کار، ممکن است باتری‌های سدیم-یون برای باتری‌های لیتیوم-یون به یک رقیب شایسته تبدیل شوند.
آینده باتری‌های سدیم-یون گرافن ژانوس
گرافن ژانوس یک راهکار انرژی امیدوارکننده است و می‌تواند در بازار انرژی از جمله لوازم الکترونیکی و فناوری، یک جایگزین ارزان‌تر و پایدارتر برای باتری‌های لیتیوم-یون فراهم کند.
پروفسور الکساندر ماتیچ از گروه فیزیک دانشگاه چالمرز سوئد در مورد هیجان خود زمان مشاهده میزان ظرفیت بین لایه‌ای بالای یون سدیم اظهار داشت: «این تحقیق هنوز در مرحله اولیه است، اما نتایج بسیار امیدوارکننده است. این امر نشان می‌دهد که می‌توان لایه‌های گرافن را در ساختاری منظم که مناسب یون‌های سدیم است طراحی کرد و این را با گرافیت مقایسه کرد.»
مهندسی ذخیره‌سازی انرژی با ظرفیت بالا با استفاده از مواد مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر به پیشبرد آینده فناوری باتری کمک خواهد کرد، چرا که می‌تواند راهکارهای بلند مدت بدون مسائل زیست‌محیطی را ارائه کند. علاوه بر این، تحقیقات بیشتر به پیشرفت این فناوری برای کاربردهای جدید در الکترونیک کمک خواهد کرد.
درباره نویسنده «مرضیه خان»
مرضیه خان عاشق تحقیقات علمی و نوآوری است. او دارای فوق لیسانس فناوری نانو و پزشکی ترمیمی و همچنین لیسانس علوم زیست پزشکی است. او در حال حاضر در NHS کار می‌کند و درگیر یک برنامه نوآوری علمی است.