ژاپنی‌ها به باتری منگنز بدون خرابی دست یافتند

پژوهشگران ژاپنی در دانشگاه ملی یوکوهاما جایگزین امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های نیکل و کبالت برای وسایل نقلیه الکتریکی معرفی کرده‌اند.

رویکرد آنها از منگنز در آند برای ایجاد یک باتری با چگالی انرژی بالا استفاده می‌کند که هم مقرون به صرفه و هم پایدار است.

سازندگان خودروهای برقی باتری‌های نیکل و کبالت را ترجیح می‌دهند، زیرا چگالی انرژی بالاتری ارائه می‌دهند که به معنی بُرد بیشتر در بسته‌های باتری کوچکتر است. با این حال، هر دوی این عناصر گران قیمت و نسبتاً کمیاب هستند و در حالی که استفاده از خودروی برقی در سرتاسر جهان در حال افزایش است، آنها به گزینه‌های ناپایداری تبدیل می‌شوند.

باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion) گزینه ترجیحی برای اکثر وسایل الکترونیکی هستند. با این حال، چگالی انرژی کمتر آنها نسبت به باتری‌های نیکل و کبالت، آنها را برای استفاده در خودروهای الکتریکی ناکارآمد می‌کند. اما تلاش‌های تحقیق و توسعه برای بهبود آنها منجر به معرفی گزینه‌های بهتری شده است.

استفاده از منگنز در کنار لیتیوم(LiMnO2) در آند باتری آزمایش شده است. با این حال، کاربردهای آن به دلیل عملکرد ضعیفتر الکترود محدود بوده است. اکنون محققان دانشگاه ملی یوکوهاما در ژاپن در پژوهش اخیر خود به این موضوع پرداخته‌اند.

نائوآکی یابوچی و تیمش در دانشگاه ملی یوکوهاما پس از مطالعه گسترده LiMnO2 در اشکال مختلف آن با استفاده از پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و روش‌های الکتروشیمیایی دریافتند که یک دامنه لایه‌ای مونوکلینیک انتقال ساختاری را فعال می‌کند. سیستم مونوکلینیک نوعی از تقارن گروهی یک ساختار کریستالی جامد است.

گفته می‌شود LiMnO2 عملکرد مواد الکترود را با تسهیل انتقال فاز بهبود می‌بخشد. بدون انتقال فاز، یک الکترود LiMnO2 عملکردی کمتر از حد مطلوب دارد.

این واکنش هیچ مرحله واسطه‌ای ندارد و می‌تواند مستقیماً از دو جزء با استفاده از فرآیند کشته‌سازی سنتز شود.

کشته سازی (Calcination) اصطلاحی در علم مواد و شیمی است که به حرارت دادن مواد برای پیرولیز،حذف رطوبت،تشکیل ترکیبات واسط، انجام واکنش در حالت جامد و نفوذ گفته می‌شود.

بهبود عملکرد با منگنز

آزمایشات پس از سنتز نشان داد که یک باتری با الکترود LiMnO2 به چگالی انرژی 820 وات‌ساعت بر کیلوگرم در مقایسه با 750 وات‌ساعت بر کیلوگرم در باتری مبتنی بر نیکل رسیده است. گفتنی است که باتری‌های مبتنی بر لیتیوم دارای چگالی انرژی حتی کمتر از 500 وات‌ساعت بر کیلوگرم هستند.

محققان می‌گویند زمانی که منگنز در پلی‌مورف‌های دیگر استفاده می‌شود، معمولاً نیمی از ظرفیت چگالی انرژی را نشان می‌دهد.

کار قبلی با استفاده از منگنز، کاهش ولتاژ در باتری‌ها را گزارش کرد که در آن ولتاژ خروجی به مرور زمان کاهش می‌یافت و عملکرد دستگاه الکترونیکی را کاهش می‌داد. با این حال محققان با الکترود LiMnO2 چنین نتایجی را مشاهده نکردند.

انحلال منگنز به دلیل تغییر فاز یا واکنش با محلول اسیدی هنوز هم می‌تواند رخ دهد. بیانیه مطبوعاتی محققان اضافه کرد که آنان قصد دارند با استفاده از محلول الکترولیت بسیار غلیظ و پوشش لیتیوم فسفات به این چالش رسیدگی کنند.

محققان مطمئن هستند که کار آنها به توسعه راه جدیدی کمک کرده است که با گزینه‌های موجود رقابت کند، تولید پایدار داشته باشد و در دراز مدت با محیط زیست سازگار باشد. آنها مشتاقانه منتظر تجاری‌سازی فناوری خود و استفاده از آن در صنعت خودروهای الکتریکی هستند.

محققان می‌گویند: ما یک روش بسیار ارزان پیدا کرده‌ایم و این یافته مهم مطالعه ما است.

یافته‌های این پژوهش در مجله ACS Central Science منتشر شده است.