افزایش قدرت و طول عمر باتری با حل کردن یک حبه قند!

پژوهشگران آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست(PNNL) دریافته‌اند که حل کردن یک حبه قند در الکترولیت یک باتریِ جریان، حداکثر توان خروجی آن را تا ۶۰ درصد افزایش می‌دهد. علاوه بر این، باتری پس از یک سال چرخه شارژ و تخلیه مداوم، تقریباً به هیچ میزانی ظرفیت خود را از دست نداد.

باتری جریان نوعی سلول الکتروشیمیایی است که در آن انرژی شیمیایی توسط دو جزء شیمیایی حل شده در مایعاتی که از طریق سیستم در طرف‌های جداگانه یک غشاء پمپ می‌شوند، تامین می‌شود. انتقال یون درون سلول(همراه با جریان الکتریکی از طریق یک مدار خارجی) از طریق غشاء رخ می‌دهد، در حالی که هر دو مایع در فضای مربوط به خود گردش می‌کنند. ظرفیت انرژی آن نیز تابعی از حجم الکترولیت و توان آن تابعی از سطح الکترودها است.

تقریبا تمام باتری‌های جریان از آن دسته باتری‌هایی نیستند که انتظار داشته باشیم در خودروها یا لپ‌تاپ‌ها بیابیم. آنها معمولاً برای کارهای ذخیره‌سازی انرژی طولانی مدت و عظیم مناسب هستند، بنابراین در سال‌های اخیر علاقه زیادی به آنها وجود داشته است، زیرا شهرها در تلاش برای هموار کردن تامین انرژی متناوب روزانه و فصلی خود و همچنین توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر هستند.

همانطور که گفته شد، باتری‌های جریان به طور معمول از دو مایع تشکیل شده‌اند که یکی آنولیت و دیگری کاتولیت نام دارد که به طور جداگانه ذخیره می‌شوند، سپس در دو طرف یک غشای انتخاب کننده یون پمپ می‌شوند تا در هنگام نیاز به انرژی، جریان ایجاد کنند. این نوع باتری، مزایای خاصی را به همراه دارد. برای مثال می‌توانید با تعویض الکترولیت تخلیه‌شده با الکترولیت شارژ شده، سیستم خود را شارژ کنید یا می‌توانید آن را با استفاده از برق شبکه برای معکوس کردن چرخه‌ی تخلیه، شارژ کنید.

پژوهشگران آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست اولین کسانی بودند که سعی کردند قندی به نام بتا-سیکلودکسترین(β-cyclodextrin) را در آنولیت سلول حل کنند، به این امید که به حل مشکلی کاملاً متفاوت کمک کند. آنها انتظار نداشتند که این کار، باتری را تقویت کند.

روژو فنگ نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: ما به دنبال راهی ساده برای حل کردن فلورنول(fluorenol) بیشتر در الکترولیت مبتنی بر آب خود بودیم. بتا-سیکلودکسترین به انجام این کار کمک کرد، اما مزیت واقعی آن توانایی شگفت‌انگیز کاتالیزوری آن بود.

آنها با همکاری پژوهشگران دانشگاه ییل(Yale)، مکانیسم پشت این تقویت را کشف کردند. آنها دریافتند که قند، پروتون‌های با بار مثبت را می‌پذیرد و حرکت الکترون‌های دارای بار منفی را که به سمت و در سراسر غشای سلولی حرکت می‌کنند، متعادل می‌کند.

پژوهشگران پس از کمی تنظیم توانستند سرعت واکنش و در نتیجه سطح توان موثر باتری را تا ۶۰ درصد افزایش دهند.

وی وانگ، پژوهشگر PNNL و از اعضای ارشد این مطالعه گفت: این یک رویکرد کاملاً جدید برای توسعه الکترولیت باتری جریان است. ما نشان دادیم که می‌توانید از نوع کاملاً متفاوتی از کاتالیزور طراحی شده برای تسریع تبدیل انرژی استفاده کنید و علاوه بر این، به دلیل حل شدن آن در الکترولیت مایع، امکان جامد شدن و رسوب سیستم را از بین می‌برد.

هنگامی که توان خروجی بهینه شد، پژوهشگران به سراغ آزمایش دوام و طول عمر رفتند تا ببیند آیا افزودن شکر بر عمر مفید الکترولیت تأثیر می‌گذارد یا خیر.

آنها باتری را به مدت بیش از یک سال به طور مداوم شارژ و تخلیه کردند و در کمال تعجب دریافتند که ظرفیت ناچیزی از باتری از دست رفته است.

شایان ذکر است که باتری‌های جریان معمولاً بسیار بیشتر از باتری‌های لیتیومی دوام می‌آورند، اما با این وجود، پژوهشگران می‌گویند این اولین بار است که یک باتری جریان چنین طول عمری را نشان می‌دهد.

۵۸۵۸