ساخت باطری انعطاف پذیر لیتیوم-CO2 با ظرفیت و پایداری بالا
Flexible lithium–CO2 battery with ultrahigh capacity and stable cycling
دی اکسید کربن (CO2) به عنوان یکی از مهمترین گازهای گلخانهای با اثراتی بسیار مخرب در نظر گرفته میشود. جست و جو برای یافتن یک روش موثر و کارآمد برای جذب و استفاده از دی اکسید کربن به یک کار با اولویت در سطح جهان تبدیل شده است. در ماموریتهای اکتشاف مریخ، توانایی استفاده از CO2 در فضا، برای نمونه برای ذخیرهسازی انرژی، میتواند مزایای قابل توجهی را به همراه داشته باشد. باطری لیتیوم- CO2 به عنوان ابزاری مهم برای جذب دی اکسید کربن در نظر گرفته میشود، چرا که میتواند از CO2 جذب شده در جذب انرژی استفاده کند. اما، باطری لیتیوم-CO2 چندین عیب دارد که شامل سرعت پایین احیای CO2، هیستریزیس بالای شارژ/دشارژ، محصول دشارژی بسیار پایدار، و انتقال آرام گاز CO2 و الکترولیت میشود. برای نخستین بار، باطری لیتیوم-CO2 توسط Archer و همکارانش معرفی شده است که در آن زمان بسیار مورد توجه قرار گرفت و تحقیقات گستردهای بر روی آن صورت پذیرفت. همانند گیاهان که دی اکسید کربن را جذب کرده و از طریق فتوسنتز، ترکیبهای آلی تولید میکنند، باطری لیتیوم-CO2 نیز از گاز CO2 به عنوان سوخت کاتدی برای ذخیره سازی انرژی استفاده میکند که این فرایند، مبتنی بر واکنش بین CO2 و لیتیوم برای تشکیل Li2CO3 و کربن است. تا کنون تلاشهای فراوانی جهت توسعه این نوع باطری صورت گرفته است که شامل تاثیر الکترولیت بر محصول دشارژ، قابلیت شارژ مجدد در دمای اتاق، بررسی اثر مواد پایه گرافن، و اثر افزودن سایر آندهای فلزی برای کاهش هزینه میشود. با این وجود، این اقدامات نتوانستهاند عیوب این نوع باطریها را رفع کنند.
اما در کاری که توسط محققین ایالات متحده انجام شده و در مجله معتبر Energy & Environmental Science به چاپ رسیده است، یک باطری لیتیوم-CO2 با طول عمر بالا و ظرفیت بالا معرفی شده است که مبتنی بر استفاده از چوب انعطافپذیر است. طبیعت کارامدترین سیستم را برای انتقال گاز و یون را به شکل چوب ساخته است. ساختار کانالی خاص کاتد مبتنی بر چوپ، CO2 و الکترولیت را از طریق مسیرهای خاصی منتقل میکند و منجر به انتقال آسان آنها میشود. بهبود انتقال جرم در این ساختار همراه با سرعت بالاتر در نتیجۀ استفاده از نانوکاتالیست Ru قرار گرفته بر رو نانولوله کربنی که در داخل میکروکانالها وجود دارد، موجب شده است عملکرد الکتروشیمیایی این باطری به طول شگفتانگیزی بهبود یابد. چرخه عملکردی این نوع باطری تا بیش از 200 چرخه پایدار بوده است و در مقایسه با سایر باطریهای لیتیوم-یونی، بهترین عملکرد را از خود نشان داده است. علاوه بر آن، به دلیل وجود داربست چوبی انعطافپذیر، کاتد این باطری انعطافپذیری مکانیکی عالیای داشته است که در نتیجه میتوان از آن در ادوات الکترونیکی پوشیدنی نیز بهره برد. ظرفیت بالا، طول عمر بالا و انعطافپذیریِ این باطری لیتیوم-CO2، آن را به عنوان یک گزینه مهم برای تلفیق جذب و استفاده از CO2 مطرح میکند.
این دسته از کارهای پژوهشی که توسط محققین دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه Maryland انجام شده است، چندین هدف مهم را پیگیری میکنند و به صورت مستقیم، علاوه بر کاهش آلودگی محیط، ذخیرهسازی انرژی را نیز میسر میکنند. در واقع پژوهشهای نوین در زمینه مهندسی مواد و علوم بینرشتهای سعی دارند سیستمهای نوینی را توسعه دهند که همزمان، چندین هدف را دنبال میکنند.
DOI: 10.1039/c8ee01468j
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes)