تحقیقات نشان می‌دهد آهن می‌تواند کلید باتری‌های لیتیوم یونی سبزتر و ارزان‌تر باشد

یک همکاری که توسط یک محقق شیمی دانشگاه ایالتی اورگان انجام می شود امیدوار است که با نشان دادن اینکه آهن به جای کبالت و نیکل می تواند به عنوان ماده کاتدی در باتری های لیتیوم یون استفاده شود، یک انقلاب باتری سبز ایجاد کند.

جی شیانلی از ایالت اورگان خاطرنشان می کند که یافته ها که امروز در Science Advances منتشر شده است، به دلایل متعددی مهم هستند.

او گفت: «ما واکنش‌پذیری فلز آهن، ارزان‌ترین کالای فلزی را تغییر داده‌ایم. الکترود ما می‌تواند چگالی انرژی بالاتری نسبت به مواد کاتدی پیشرفته در وسایل نقلیه الکتریکی ارائه دهد. که در باتری‌های لیتیوم یونی با انرژی بالا ضروری هستند هزینه باتری‌های ما به طور بالقوه بسیار پایین‌تر است.”

جی گفت: در حال حاضر، کاتد 50 درصد از هزینه ساخت یک سلول باتری لیتیوم یون را تشکیل می دهد. او افزود که فراتر از اقتصاد، کاتدهای مبتنی بر آهن امکان ایمنی و پایداری بیشتری را فراهم می‌کنند.از آنجایی که باتری های لیتیوم یونی بیشتر و بیشتر برای برق رسانی به بخش حمل و نقل تولید می شوند، تقاضای جهانی برای نیکل و کبالت افزایش یافته است. جی اشاره می‌کند که طی چند دهه، کمبودهای پیش‌بینی‌شده در نیکل و کبالت، تولید باتری‌ها را همانطور که در حال حاضر انجام می‌شود، ترمز خواهد کرد.

علاوه بر این، چگالی انرژی این عناصر در حال حاضر تا سطح سقف خود افزایش یافته است به طوری که اگر بیشتر فشار داده شود، اکسیژن آزاد شده در طول شارژ می‌تواند باعث احتراق باتری‌ها شود به علاوه کبالت سمی است، به این معنی که می‌تواند اکوسیستم‌ها و منابع آب را آلوده کند.

جی گفت همه اینها را کنار هم بگذارید و درک تلاش جهانی برای شیمی باتری جدید و پایدارتر آسان است باتری انرژی را به شکل انرژی شیمیایی ذخیره می کند و از طریق واکنش ها آن را به انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تامین انرژی وسایل نقلیه و همچنین تلفن های همراه، لپ تاپ ها و بسیاری از دستگاه ها و ماشین های دیگر تبدیل می کند. انواع مختلفی از باتری ها وجود دارد، اما اکثر آنها به همان روش اولیه کار می کنند و شامل اجزای اصلی یکسانی هستند.

یک باتری از دو الکترود آند و کاتد که معمولاً از مواد مختلف ساخته شده‌اند و همچنین یک جداکننده و الکترولیت، یک محیط شیمیایی که امکان جریان بار الکتریکی را فراهم می‌کند، تشکیل شده است. در طول تخلیه باتری، الکترون ها از آند به یک مدار خارجی جریان می یابند و سپس در کاتد جمع می شوند.

در باتری لیتیوم یونی، همانطور که از نامش پیداست، یک بار از طریق یون های لیتیوم حمل می شود، زیرا آنها از طریق الکترولیت از آند به کاتد در هنگام تخلیه حرکت می کنند و در طول شارژ مجدد دوباره برمی گردند.

جی گفت: «کاتد مبتنی بر آهن ما با کمبود منابع محدود نخواهد شد. . تا زمانی که خورشید به غول سرخ تبدیل نشود، آهن تمام نمی شود.

جی و همکارانش از چندین دانشگاه و آزمایشگاه ملی با طراحی یک محیط شیمیایی بر اساس ترکیبی از آنیون‌های فلوئور و فسفات  یون‌هایی که بار منفی دارند، واکنش‌پذیری آهن را در کاتد خود افزایش دادند.

این ترکیب که به طور کامل به عنوان یک محلول جامد مخلوط شده است، امکان تبدیل برگشت پذیر به این معنی که باتری را می توان دوباره شارژ کرد از مخلوط ریز پودر آهن، فلورید لیتیوم و فسفات لیتیوم به نمک آهن امکان پذیر می کند.

جی گفت: «ما نشان داده‌ایم که طراحی مواد با آنیون‌ها می‌تواند سقف چگالی انرژی باتری‌هایی را که پایدارتر هستند و هزینه کمتری دارند، بشکند. ما از مقداری نمک گران‌تر همراه با آهن استفاده نمی‌کنیم  فقط از نمک‌هایی که صنعت باتری استفاده کرده است و سپس پودر آهن. برای قرار دادن این کاتد جدید در کاربردها، نیازی به تغییر هیچ چیز دیگری نیست بدون آند جدید، نه خطوط تولید جدید، بدون طراحی جدید باتری، ما فقط یک چیز را جایگزین می کنیم، کاتد.که کارایی ذخیره سازی هنوز باید بهبود یابد. در حال حاضر، تمام الکتریسیته ای که در طول شارژ به باتری وارد می شود، پس از تخلیه در دسترس نیست. هنگامی که این بهبودها انجام شود، و جی انتظار دارد که انجام شوند، نتیجه باتری ای خواهد بود که بسیار بهتر از باتری هایی که در حال حاضر استفاده می شوند کار می کند، در حالی که هزینه کمتری دارد و سبزتر است.

جی گفت: «اگر روی این فناوری سرمایه‌گذاری شود، زمان زیادی طول نمی‌کشد تا به صورت تجاری در دسترس قرار گیرد. “ما به متفکران صنعت برای تخصیص منابع به این حوزه نوظهور نیاز داریم. جهان می تواند یک صنعت کاتد مبتنی بر فلزی داشته باشد که در مقایسه با کبالت و نیکل تقریبا رایگان است. و در حالی که برای بازیافت کبالت و نیکل باید واقعا سخت کار کنید. حتی لازم نیست آهن را بازیافت کنید — اگر رها کنید به زنگ زدگی تبدیل می شود.

برنامه علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده بودجه این تحقیق را که توسط Tongchao Liu از آزمایشگاه ملی Argonne رهبری می شد و همچنین شامل Mingliang Yu، Min Soo Jung و Sean Sandstrom از ایالت اورگان بود، تامین کرد. دانشمندانی از دانشگاه وندربیلت، دانشگاه استنفورد، دانشگاه مریلند، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC نیز مشارکت داشتند.