بسیاری از خودروهای الکتریکی با باتری‌هایی کار می‌کنند که حاوی کبالت هستند – فلزی که هزینه‌های مالی، زیست‌محیطی و اجتماعی بالایی دارد.

محققان MIT اکنون یک ماده باتری طراحی کرده اند که می تواند راه پایدارتری برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی ارائه دهد. باتری جدید لیتیوم یونی به جای کبالت یا نیکل (فلز دیگری که اغلب در باتری های لیتیوم یون استفاده می شود) یک کاتد مبتنی بر مواد آلی دارد.

در یک مطالعه جدید، محققان نشان دادند که این ماده که می‌تواند با هزینه بسیار کمتری نسبت به باتری‌های حاوی کبالت تولید شود، می‌تواند جریان الکتریکی را با نرخی مشابه باتری‌های کبالت هدایت کند. به گفته محققان، باتری جدید همچنین ظرفیت ذخیره سازی قابل مقایسه ای دارد و می تواند سریعتر از باتری های کبالت شارژ شود.

میرچا دینکا، پروفسور انرژی WM Keck در MIT می‌گوید: «من فکر می‌کنم این ماده می‌تواند تأثیر زیادی داشته باشد زیرا واقعاً خوب کار می‌کند. “این در حال حاضر قابل رقابت با فن آوری های فعلی است، و می تواند بسیاری از هزینه ها، درد و مسائل زیست محیطی مربوط به استخراج فلزاتی را که در حال حاضر به باتری ها وارد می شوند، صرفه جویی کند.”

دینکا نویسنده ارشد این مطالعه است که امروز در مجله ACS Central Science منتشر شده است . Tianyang Chen PhD ’23 و Harish Banda، فوق دکترای سابق MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند. نویسندگان دیگر عبارتند از Jiande Wang، یک فوق دکترای MIT. جولیوس اوپنهایم، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT؛ و الساندرو فرانچسکی، محقق دانشگاه بولونیا.

جایگزین های کبالت

بیشتر خودروهای الکتریکی توسط باتری‌های لیتیوم یونی تغذیه می‌شوند، نوعی باتری که زمانی شارژ می‌شود که یون‌های لیتیوم از یک الکترود با بار مثبت به نام کاتد به یک الکترود منفی به نام آند جریان می‌یابند. در اکثر باتری‌های لیتیوم یونی، کاتد حاوی کبالت است، فلزی که پایداری و چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهد.

با این حال، کبالت دارای معایب قابل توجهی است. یک فلز کمیاب، قیمت آن می تواند به شدت در نوسان باشد، و بسیاری از ذخایر کبالت جهان در کشورهای بی ثبات سیاسی قرار دارند. استخراج کبالت شرایط کاری خطرناکی را ایجاد می کند و زباله های سمی تولید می کند که زمین، هوا و آب اطراف معادن را آلوده می کند.

باتری‌های کبالت می‌توانند انرژی زیادی را ذخیره کنند، و همه ویژگی‌هایی را دارند که مردم از نظر عملکرد به آن‌ها اهمیت می‌دهند، اما این مسئله را دارند که به طور گسترده در دسترس نباشند، و هزینه آن به طور گسترده با قیمت کالاها در نوسان است. و با انتقال به نسبت بسیار بالاتری از وسایل نقلیه الکتریکی در بازار مصرف، مطمئناً گران‌تر می‌شود.» دینکا می‌گوید.

به دلیل معایب فراوان کبالت، تحقیقات زیادی برای توسعه مواد جایگزین باتری انجام شده است. یکی از این مواد لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) است که برخی از خودروسازان شروع به استفاده از آن در خودروهای الکتریکی کرده اند. اگرچه LFP هنوز از نظر عملی مفید است، اما تنها حدود نیمی از چگالی انرژی باتری‌های کبالت و نیکل را دارد.

یکی دیگر از گزینه های جذاب، مواد آلی هستند، اما تاکنون اکثر این مواد قادر به مطابقت با رسانایی، ظرفیت ذخیره سازی و طول عمر باتری های حاوی کبالت نبوده اند. به دلیل رسانایی کم، چنین موادی معمولاً باید با چسب‌هایی مانند پلیمرها مخلوط شوند که به آنها در حفظ شبکه رسانا کمک می‌کند. این کلاسورها که حداقل 50 درصد مواد کلی را تشکیل می دهند، ظرفیت ذخیره سازی باتری را کاهش می دهند.

حدود شش سال پیش، آزمایشگاه دینکا شروع به کار بر روی پروژه‌ای کرد که توسط لامبورگینی تامین شده بود تا یک باتری ارگانیک تولید کند که می‌توان از آن برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی استفاده کرد. دینکا و شاگردانش در حین کار بر روی مواد متخلخل که تا حدی آلی و تا حدی غیر آلی بودند، متوجه شدند که یک ماده کاملاً آلی که ساخته بودند ظاهر شد که ممکن است رسانایی قوی باشد.

این ماده از لایه های زیادی از TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone) تشکیل شده است، یک مولکول کوچک آلی که شامل سه حلقه شش ضلعی ذوب شده است. این لایه ها می توانند در هر جهت به سمت بیرون گسترش یافته و ساختاری شبیه گرافیت را تشکیل دهند. درون مولکول‌ها گروه‌های شیمیایی به نام کینون‌ها که مخازن الکترون هستند و آمین‌ها وجود دارند که به مواد کمک می‌کنند تا پیوندهای هیدروژنی قوی تشکیل دهند.

این پیوندهای هیدروژنی مواد را بسیار پایدار و همچنین بسیار نامحلول می کند. این نامحلول بودن مهم است زیرا از حل شدن مواد در الکترولیت باتری جلوگیری می کند، همانطور که برخی از مواد آلی باتری انجام می دهند و در نتیجه طول عمر آن را افزایش می دهد.

یکی از روش های اصلی تخریب مواد آلی این است که آنها به سادگی در الکترولیت باتری حل می شوند و به طرف دیگر باتری می روند و اساساً یک اتصال کوتاه ایجاد می کنند. اگر مواد را کاملا نامحلول کنید، این فرآیند اتفاق نمی‌افتد، بنابراین می‌توانیم به بیش از 2000 چرخه شارژ با حداقل تخریب برویم.»

عملکرد قوی

آزمایش‌های این ماده نشان داد که رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی آن با باتری‌های سنتی حاوی کبالت قابل مقایسه است. همچنین باتری‌های دارای کاتد TAQ سریع‌تر از باتری‌های موجود شارژ و دشارژ می‌شوند که می‌تواند سرعت شارژ خودروهای الکتریکی را افزایش دهد.

برای تثبیت مواد آلی و افزایش توانایی آن برای چسبیدن به کلکتور جریان باتری که از مس یا آلومینیوم ساخته شده است، محققان مواد پرکننده مانند سلولز و لاستیک را اضافه کردند. این پرکننده ها کمتر از یک دهم کامپوزیت کلی کاتد را تشکیل می دهند، بنابراین ظرفیت ذخیره سازی باتری را به میزان قابل توجهی کاهش نمی دهند.

این پرکننده ها همچنین طول عمر کاتد باتری را با جلوگیری از ترک خوردن آن هنگام جریان یون های لیتیوم به داخل کاتد در هنگام شارژ شدن باتری، افزایش می دهند.

مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت این نوع کاتد، یک پیش ساز کینون و یک پیش ساز آمین است که در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس بوده و در مقادیر زیادی به عنوان مواد شیمیایی کالا تولید می شود. محققان تخمین می زنند که هزینه مواد مونتاژ این باتری های آلی می تواند حدود یک سوم تا یک دوم هزینه باتری های کبالت باشد.