استفاده از پنبه و آب دریا برای ساخت باتری

غزال زیاری: برق رفته؛ اما در خیابانی در هند یک دستگاه خودپرداز پول، هنوز کار می‌کند و به مشتریان اسکناس می‌دهد. بخشی از این اتفاق به خاطر پنبه‌های سوخته است. این دستگاه خودپرداز، یک باتری پشتیبان دارد که حاوی کربنی است که از پنبه‌ای که به دقت سوزانده شده، ساخته شده است.

اینکتسو اوکینا، افسر ارشد اطلاعاتی شرکت ژاپنی PJP که سازنده این باتری است در این رابطه گفت:« فرآیند دقیق عملکرد این باتری سری است. صادقانه بگویم؛ دمای تولید شده مخفی است و جو داخل آن و فشار موجود هم همین‌طور.»

اوکینا در این رابطه گفت که دمای مورد نیاز، بالای ۳ هزار درجه سانتیگراد است و یک کیلوگرم پنبه، ۲۰۰ گرم کربن تولید می‌کند و حجم مورد نیاز پنبه در هر سلول باتری تنها ۲ گرم است. طبق گفته اوکینا این شرکت در سال ۲۰۱۷ یک محموله پنبه خریداری کرده و هنوز از همه آن استفاده نکرده است.

این کمپانی ژاپنی که با محققان دانشگاه کیوشو در فوکوکای ژاپن همکاری می‌کند، از کربن موجود در پنبه به عنوان "آند" بهره می‌برد (یکی از دو الکترودی که یون‌ها که ذرات باردار در باتری‌ها هستند، در آنها جریان پیدا می‌کنند). زمانی که باتری شارژ می‌شود، یون‌ها در یک جهت حرکت می‌کنند و هنگامی که باتری به دستگاهی متصل شده و انرژی آن آزاد می‌شود، یون‌ها در جهت دیگر به حرکت در می‌آیند. در اکثر باتری‌ها، از گرافیت به‌عنوان آند استفاده می‌شود ولی کمپانی PJP Eye با تاکید بر رویکردی پایدارتر، تصمیم گرفته تا آندها را با استفاده از پنبه‌های ضایعات صنعت نساجی بسازد.

با ظهور وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی بزرگ، در دهه‌های پیش رو، تقاضا برای باتری‌ها افزایش چشمگیری خواهد داشت و از همین رو برخی از محققان و کسب و کارها به شکل حیرت‌انگیزی در حال توسعه و معرفی جایگزین‌های احتمالی برای باتری‌های لیتیوم یونی که امروزه رواج دارند، هستند. کمپانی‌هایی مثل PJP Eye، بر این باورند که می‌توان از مواد پایدارتر و در دسترس‌تری برای تولید باتری بهره برد.

آناتومی یک باتری

باتری‌ها از سه جزء اصلی ساخته شده‌اند: دو الکترود و یک الکترولیت که در بین آنها قرار می‌گیرد. یکی از دو الکترود دارای بار مثبت است و کاتد نام دارد و الکترود با بار منفی، آند نامیده می‌شود.

در هنگام استفاده، ذرات باردار (یون‌ها) از طریق الکترولیت از آند به کاتد جریان پیدا می‌کنند و این جریان به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا از طریق سیم‌های هر مدار الکتریکی که باتری به آن متصل است، به حرکت در بیایند.

استفاده از لیتیوم در ساخت باتری‌ها

استخراج لیتیوم تاثیرات عظیمی بر محیط زیست دارد. چرا که حجم زیادی آب و انرژی مصرف کرده و این پروسه، زخم‌های بزرگی را در دل طبیعت ایجاد می‌کند. لیتیوم به دست آمده، اغلب فواصل طولانی و زیادی را از محل استخراج تا محل استفاده طی می‌کند.

گرافیت هم یا استخراج شده و یا از سوخت‌های فسیلی ساخته می‌شود که هر دو روش اثرات زیست محیطی منفی زیادی دارند.

مثال دیگری بزنیم: کبالت که در بسیاری از باتری‌های لیتیوم – یونی مورد استفاده قرار می‌گیرد نیز عمدتا در جمهوری دموکراتیک کنگو استخراج می‌شود ولی گزارش‌های زیادی درباره شرایط کاری خطرناک در آنجا منتشر شده است.

از آب دریا گرفته تا زباله‌های زیستی و رنگدانه‌های طبیعی، فهرست بلندبالایی از جایگزین‌های بالقوه در طبیعت برای تولید باتری وجود دارد که به شکل گسترده‌ای در دسترس هستند. ولی بخش سخت ماجرا، اثبات این موضوع است که هر یک از این مواد می‌توانند به شکل واقع‌بینانه‌ای با اجزایی که در تولید باتری‌های موجود در بازار به کار می‌روند، رقابت کنند.

بیشتر بخوانید:

• کشف غافلگیرکننده یک ویژگی ناشناخته نور

• ۷ شی باستانی که هنوز کاربردشان را کشف نکرده‌ایم

کمپانی PJP Eye در عین حال از امکان بهبود عملکرد باتری و تولید باتری‌های سبزتر صحبت می‌کند. اوکینا دراین باره گفته: « کربن ما مساحت سطحی بیشتری نسبت به گرافیت دارد.» او در ادامه توضیح داد که چطور شیمی آند در باتری تک کربنی کامبرین آنها این امکان را فراهم می‌کند تا باتری‌ها بسیار سریع‌تر (تا ۱۰ برابر سریع‌تر) از باتری‌های لیتیوم یونی موجود در بازار شارژ شوند.

کاتد باری از یک اکسید برپایه فلز ساخته شده است. گرچه اوکینا دقیقا از این فلز نام نبرد ولی این فلزها شامل مس، سرب، نیکل و روی هستند که کمتر از فلزات قلیایی مثل لیتیوم واکنش پذیر هستند. این کمپانی مدعی است که در حال کار کردن بر روی یک باتری الکترود دوکربنه است که هر دو الکترود آن از کربن گیاهی ساخته شده است. تکنولوژی ساخت این باتری برپایه تحقیقاتی است که توسط محققان دانشگاه کیوشو انجام شده؛ هر چند که انتظار می‌رود که این باتری دست کم تا سال ۲۰۲۵ عرضه نشود.

گرچه توانایی شارژ سریع باتری برای یک دستگاه خودپرداز پول خیلی مهم نیست؛ اما همین امر در یک وسیله نقلیه الکتریکی اهمیت بالایی پیدا می‌کند. چرا که شما می‌خواهید سریع باتری ماشین را شارژ کرده و حرکت کنید. شرکت چینی Goccia با مشارکت هیتاچی، دوچرخه‌ای الکترونیکی را ساخته که از باتری PJP Eye بهره می‌برد و از اوایل سال ۲۰۲۳ در ژاپن به فروش می‌رسد. حداکثر سرعت این دوچرخه ۵۰ کیلومتر بر ساعت است و شما می‌توانید با یک بار شارژ کردن آن حدود ۷۰ کیلومتر رکاب بزنید.

منابع طبیعی و سبزتر در تولید باتری

البته این تنها باتری‌ای است که در آن از کربن موجود در مواد زیستی زباله استفاده شده است. استورا انزو در فنلاند، یک آند باتری ساخته که در کربن آن از لیگنین، پلیمر اتصالی که در درختان یافت می‌شود، بهره برده است.

طبق گفته برخی محققان، می‌توان از پنبه هم به جای الکترولیت استفاده کرد؛ بدین ترتیب که پنبه جریان یون‌ها بین کاتد و آند را تسهیل کرده و باتری‌های جامد پایدارتری نسبت به باتری‌های حال حاضر ساخت.

البته برخی افراد، منابع بزرگتر و بالقوه تمام نشدنی انرژی در طبیعت را زیر نظر دارند. استفانو پاسرینی، معاون موسسه هلمهولتز اولم آلمان معتقد است که اقیانوس‌های وسیع جهان، یک ذخیره عملا نامحدود از مواد را در اختیار دارند که می‌توان از آنها برای ساختن باتری‌ها بهره برد.

او و همکارانش در مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۲ منتشر شد، از طرح خود برای باتری‌ای که یون‌های سدیم را از آب دریا به بیرون منتقل کرده و در یک مخزن ذخیره فلز سدیم انبار می‌کند، رونمایی کردند. برای انجام این کار، اعضای تیم یک الکترولیت پلمیری خاص طراحی کردند که از طریق آن یون‌های سدیم قابلیت عبور خواهند داشت.

در اینجا آب دریا به عنوان کاتد یا الکترود با بار مثبت عمل می‌کند. اما در این باتری هیچ آندی وجود ندارد؛ چرا که سدیم با بار منفی باردار نمی شود و تنها به حالت خنثی در می‌آید. پاسرینی اعلام کرده که می‌توان از باد یا انرژی خورشیدی مازاد برای انباشت سدیم بهره برد که تا زمانی که نیاز باشد، این سدیم در آنجا انبار شود.

البته در این راستا چالش‌هایی نیز وجود دارد. سدیم، مثل لیتیوم، وقتی با آب تماس پیدا می‌کند، یک واکنش پرانرژی ایجاد می‌شود. طبق گفته پاسرینی:« شما یک انفجار خواهید داشت.» از همین رو باید اطمینان حاصل کنید که آب دریا به ذخیره سدیم نشت نخواهد کرد؛ چون در این صورت یک فاجعه رخ خواهد داد.

برخی محققان برای کاتد باتری‌هایشان به دنبال ماده‌ای هستند که به شکل طبیعی در استخوان‌ها و دندان‌های ما و در مکان‌های دیگر وجود دارد و گزینه ایمن‌تری به‌نظر می‌رسد: کلسیم. به عنوان مثال می‌توان کلسیم را با سیلیکون (که به انتقال یون‌های کلسیم در باتری‌های آینده کمک خواهد کرد) ترکیب نمود.

حنا در باتری‌های آینده!

لیست موادی که می‌توانند به باتری‌های آینده قدرت بیشتری بدهند، بلند بالا و در عین حال عجیب است. جرج جان از دانشگاه نیویورک و همکارانش مدت‌هاست که به بررسی پتانسیل کوئینون‌ها (رنگدانه‌های بیولوژیک موجود در گیاهان و سایر موجودات) برای استفاده به عنوان الکترود در باتری‌ها می‌پردازند. آنها حتی در آزمایش‌هایشان با مولکول مشتق شده از حنا (رنگ خالکوبی که از درخت حنا یا Lawsonia inermis گرفته می‌شود) به نتایج امیدوار کننده‌ای رسیده‌اند.

جان در این رابطه گفته:« این رویای ماست. ما می‌خواهیم یک باتری پایدار بسازیم.»

طبق گفته او، یکی از موانع پیش رو این است که مولکول حنای طبیعی قابلیت حل شدن بسیار بالایی دارد و وقتی از آن به عنوان کاتد استفاده می‌شود، حنا تدریجا در الکترولیت مایع حل خواهد شد. اما با ترکیب چهار مولکول حنا با هم و افزودن لیتیوم، جان و همکارانش موفق به تولید ماده‌ای قابل بازیافت با ساختار کریستالی شده‌اند که بسیار قوی‌تر است. او در این رابطه گفت:« از آنجا که قابلیت کریستالی ماده افزایش پیدا می‌کند، قابلیت حل شدن آن کاهش خواهد یافت.»

جان در ادامه به این نکته اشاره کرد که باتری‌هایی که او و همکارانش برروی آن کار می‌کنند، ممکن است ظرفیت بالایی برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی را نداشته باشند؛ اما می‌توان از آنها در دستگاه‌های پوشیدنی کوچک بهره برد. مثلا در دستگاه‌هایی که سطح قند خون افراد مبتلا به دیابت یا دیگر نشانگرهای زیستی را اندازه‌گیری می‌کنند.

دیگر محققان به دنبال استفاده از مواد متنوع دیگری مثل ضایعات ذرت و پوسته بذر خربزه برای تولید انواع جدید الکترودها برای استفاده در باتری‌ها هستند. اما احتمالا تولید انبوه این باتری‌ها برای برآورده کردن تقاضای فزآینده در صنعت باتری، یکی از بزرگترین چالش‌های موجود در این مسیر خواهد بود.

در نهایت چالش کلی در تولید مواد جایگزین در باتری‌ها، همیشه درباره برآورده کردن تقاضاهای بالای بازار است. کافی است همین تکنولوژی فعلی باتری‌های لیتیوم گرافیتی را در نظر داشته باشید. اگر ما همچنان از همین باتری‌ها استفاده کنیم، دنیا تا سال ۲۰۳۰، سالانه به دو مگاتن گرافیت نیاز خواهد داشت تا بتواند نیاز صنعت پررونق باتری‌سازی را تامین کند. این درحالی است که در حال حاضر سالانه ۷۰۰ کیلوتن گرافیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

او در ادامه گفت:« تقاضا واقعا سه برابر شده است و شاید به همین دلیل است که گزینه‌های جایگزینی گرافیت باید با دقت مورد بررسی قرار بگیرند. دستیابی به مقیاس‌های مذکور برای هر ماده جدیدی فوق‌العاده دشوار خواهد بود.»

جیل پستانا، دانشمند و مهندس باتری مستقر در کالیفرنیا که به عنوان یک مشاور مستقل به فعالیت می‌پردازد، یادآور شده که تغییر فرآیندهای تولید باتری بدون گرافیت، بسیار پرهزینه و به شکل بالقوه به سان یک خطر تجاری بزرگ به نظر می‌رسد.

او تردیدهای زیادی درباره استفاده از زباله‌های زیستی به‌عنوان آندهای کربنی دارد؛ چرا که منابع چنین زباله‌هایی ممکن است همیشه سازگار با محیط زیست نباشند. مثلا درختکاری که از نظر تنوع زیستی مدیریت ضعیفی دارد.

از سوی دیگر، در بازارهایی که مصرف‌کنندگان به پایداری محصولاتی که می‌خرند اهمیت می‌دهند، مواد باتری با جایگزین‌هایی با منابع مناسب ممکن است بیشتر مورد استقبال قرار گیرد؛ باتری‌هایی که از کربن مشتق از زباله‌های زیستی و یا هر ماده بالقوه پایدارتری ساخته شده باشد.

پستانا در این رابطه گفت:« مردم نقش پررنگی را در پیشبرد این تلاش‌ها خواهند داشت.»

منبع: bbc

۵۸۵۸