تحقیقات جدید در زمینه مواد الکترود، پیشرفت قابل توجهی برای باتری آلومینیوم یونی ایجاد کرده است. محققان دانشگاه اولم و دانشگاه فرایبورگ در آلمان به تازگی ماده جدیدی برای الکترود مثبت توسعه دادهاند که امکان ظرفیت ذخیرهسازی بالای این باتریها را فراهم میکند و بزرگترین نقطه ضعف آنها را که مانع استفاده گسترده از آنها شده، حل میکند.
همچنین بخوانید : باتری آبی چیست؟
این دانشمندان از یک پلیمر آلی ردکسی مبتنی بر فنوثیازین به عنوان ماده الکترود جدید استفاده کردند که ظرفیت ذخیرهسازی به طرز شگفتانگیزی بالایی دارد و از ظرفیت الکترودهای گرافیتی فراتر میرود.
مزایای باتری آلومینیوم یونی
باتری آلومینیوم یونی مدتهاست که به عنوان یک جایگزین برای باتری های لیتیوم یونی متداول جذاب بوده است. این موضوع عمدتاً به این دلیل است که آلومینیوم، مادهای رایج و در دسترس، قابل بازیافت و نسبت به لیتیوم، که مادهای نادر و گران قیمت است، ارزانتر است.
همچنین بخوانید : بررسی شارژ باتری لیتیوم یونی
با این حال، نقطه ضعف اصلی باتری های آلومینیوم یونی ظرفیت ذخیرهسازی ناکافی آنهاست. چالش اصلی، کمبود مواد الکترود مناسب است که بتوانند ورود معکوس یون های پیچیده آلومینیوم را امکانپذیر کنند. ظرفیت ذخیرهسازی که به عنوان ظرفیت خاص (mAh/g) شناخته میشود، مقدار بار الکتریکی (mAh) است که توسط الکترود به ازای هر گرم ماده ارائه میشود. از آنجا که ظرفیت خاص عمدتاً توسط ماده الکترود تعیین میشود، محققان با مواد مختلف الکترود مثبت آزمایش کردهاند تا بار الکتریکی باتری آلومینیوم یونی را افزایش دهند.
نوآوری در الکترود های باتری
برای بهبود ماده الکترود باتریهای آلومینیوم-یونی، رویکرد دانشمندان یافتن مکانیزم مؤثرتری برای وارد کردن یونهای منفی پیچیده آلومینیوم به الکترود با قابلیت برگشتپذیری بالا بود. به طور کلی، ترکیبات آلی نوع p میتوانند در پتانسیلهای بالا به طور برگشتپذیر اکسید شوند و آنیونها را با سرعتهای C سریع ذخیره و آزاد کنند. محققان بر توسعه مواد آلی جدید فعال ردکسی که عملکرد و خواص برگشتپذیر بالایی دارند، تمرکز کردند.
برای اولین بار، آنها موفق شدند یک فرآیند ردکسی دو الکترونی برگشتپذیر را برای ماده الکترود مبتنی بر فنوثیازین به نمایش بگذارند. به عنوان ماده الکترود مثبت، محققان از یک پلیمر آلی ردکسی استفاده کردند که قادر به وارد کردن دو آنیون (AlCl4) به صورت برگشتپذیر است و ظرفیت خاص بالاتری نسبت به گرافیت فراهم میکند.
این الکترودها به عنوان X-PVMPT شناخته میشوند که به معنای پلی(۳-وینیل-N-متیلفنوثیازین) متقاطع است. باتری آزمایششده از یک الکترولیت مایع EMIm کلروآلومینات استفاده میکند که به عنوان بهترین الکترولیت برای باتری های آلومینیوم یونی در مقایسه با هزینه، پایداری الکتروشیمیایی و دماهایی که الکترولیت را در حالت مایع نگه میدارد، در نظر گرفته میشود.
فرآیند ردوکس باتری. ماده الکترود اکسید میشود و آنیونهای آلومینات رسوب میکنند.
حفظ ظرفیت در چرخه های متعدد
نتایج تجربی نشان داد که باتری حتی پس از ۵۰۰۰ چرخه در نرخ ۱۰C، ۸۸٪ از ظرفیت خود را حفظ میکند. این نشاندهنده پایداری بالای عملکرد باتری در شرایط سخت و استفاده مکرر است. آزمایشها در نرخ بسیار بالای ۱۰۰C انجام شد که در آن باتری در ۶۴ mAh/g باقی ماند. در نرخهای C پایینتر، ظرفیت اصلی باتری بدون تغییر باقی ماند.
عملکرد الکترود های مبتنی بر X-PVMPT
الکترودهای مبتنی بر X-PVMPT یونهای منفی (آنیونهای AlCl4 یا Al2Cl7) را در پتانسیلهای بار متوسط ۰.۸۱ و ۱.۶۵ ولت نسبت به یونهای مثبت آلومینیوم وارد میکنند. هرچه تفاوت بین پتانسیلهای الکترود بزرگتر باشد، نیروی الکتروموتیو (EMF) یا ولتاژ سلول بالاتر است. بنابراین، سلول قادر به تولید مقدار بیشتری انرژی است. ولتاژ سلول توسط سازگاری تمام اجزای باتری—آند، کاتد و الکترولیت تعیین میشود.
تاثیر پتانسیل بر ظرفیت خاص
آزمایش همچنین نشان داد که فلات در پتانسیل بالاتر (میانگین ۱.۴۸ ولت) به طور مطلوبی به مقدار بالاتری از ظرفیت خاص نسبت به فلات در پتانسیل پایینتر (میانگین ۰.۷۴ ولت) کمک میکند و ثابت میکند که مقدار بیشتری بار میتواند در الکترودهای جدید در پتانسیل بالاتر ذخیره شود.
پیشرفت در توسعه باتری آلومینیوم یونی
“با ولتاژ تخلیه بالا و ظرفیت خاص آن، همچنین با حفظ ظرفیت عالی در نرخهای C سریع، ماده الکترود نمایانگر یک پیشرفت عمده در توسعه باتریهای قابل شارژ آلومینیوم و به تبع آن راهحلهای پیشرفته و مقرونبهصرفه ذخیرهسازی انرژی است”، گفت محقق بیریت اسر در یک بیانیه مطبوعاتی که توسط دانشگاه فرایبورگ منتشر شد.
چشمانداز آینده
این تحقیق نمایانگر اولین بینش در عملکرد باتری آلومینیوم-یونی است که میتواند با استفاده از الکترود مبتنی بر فنوثیازین به دست آید. با ولتاژ تخلیه بالا و ظرفیت خاص آن، همچنین با توانایی عالی در حفظ ظرفیت در نرخهای C سریع، این تحقیق میتواند به توسعه باتریهای آلومینیوم-یونی پیشرفته و مقرونبهصرفه کمک کند. نتایج همچنین میتواند آغازگر تحقیقات و بهبودهای بیشتر در مواد الکترود مثبت مبتنی بر پلیمرهای آلی ردکسی باشد.