مشارکت دو دانشمند ایرانی در ساخت نسل جدید باتری‌ها
مجله علمی ایلیاد - گروهی از محققان متشکل از دو ایرانی، برای اولین بار باتری پروتونی قابل شارژی ساخته‌اند که می‌تواند استفاده از دستگاه‌های شارژی ما را بهینه کند. این باتریِ قابل‌شارژ پروتونی، با محیط‌زیست سازگار است و قابلیت توسعه برای ذخیره‌ی انرژی بیشتر را دارد. بهره‌برداری از این نسل باتری‌ها بسیار کارآمدتر از باتری‌های لیتیوم‌یونی است. این باتری توسط گروهی با مشارکت دکتر «شاهین حیدری» و دکتر «سعید سیف‌محمدی» ساخته شده است.
کاربرد بالقوه برای باتری پروتونیِ ساخته شده در دانشگاه RMIT، ذخیره‌سازی انرژی برای پنل‌های خورشیدی ساخته‌شده در پروژه‌ی «Power wall» شرکت تسلا است که هم‌اکنون از باتری‌های لیتیوم‌یونی بهره می‌برند. با اعمال برخی اصلاحات، تکنولوژی باتری پروتونی نیز می‌تواند برای ذخیره‌سازی انرژی در شبکه‌های برق، مانند باتری غول‌پیکر لیتیومی در جنوب استرالیا یا وسایل نقلیه‌ی الکتریکی قدرتمند استفاده شود. نمونه‌ی اولیه‌ی باتری پروتونی استفاده شده، در الکترود کربنی برای تولید برق استفاده شد.
پرفسور «جان اندرسون» رهبر این گروه می‌گوید: «این الکترود‌های کربنی، پروتون‌هایی از آب را به باتری پروتونی اضافه می‌کنند. اکنون باتری‌های پروتونی گران‌قیمت هستند و گام نهایی ما در این راه، ارزان کردن آن‌ها است تا با استفاده‌ی همه‌گیر آن، آسیب کمتری به محیط‌زیست وارد شود. از آنجایی که جهان با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌سمت کاهش گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات آب‌وهوایی حرکت می‌کند، ذخیره‌سازی انرژی الکتریسته در مقیاس گسترده، الزامی است.»
وی ادامه داد: «باتری‌های پروتونی یکی از مهمترین‌ترین منابع برای پاسخگویی به نیاز‌های این‌چنینی است. کربن به‌عنوان منبع اصلی در باتری‌های پروتونی، در مقایسه با عناصر هیدروژن و لیتیوم، قابل‌شارژ و ارزان‌تر است.»
در طول زمانِ شارژ، کربن با کمک الکترون‌هایی از منبع تغذیه، با پروتون‌های تولید شده توسط آب واکنش می‌دهد. پس از آن پروتون‌ها دوباره آزاد می‌شوند و از طریق سلول‌های برگشت‌پذیر و اکسیژن موجود در آب، انرژی الکتریسیته تولید می‌کنند. بر خلاف سوخت‌های فسیلی، در این فرآیند کربن نمی‌سوزد و گاز گلخانه‌ای یا هر نوع آلودگی تولید نمی‌کند.
آزمایش محققان نشان داد که باتری‌های کوچک ۵.۵ سانتی‌متری پروتونی قادر به ذخیره‌سازی انرژی به اندازه‌ی یک باتری قابل‌حمل لیتیوم‌یونی هستند؛ این میزان مربوط به باتری‌های پروتونی است که بهینه نشده بودند. اندرسون گفت: «آینده‌ی تحقیقات ما بر بهبود عملکرد و تراکم انرژی با استفاده از موادی بر پایه‌ی کربن، مانند گرافن است. باتری پروتونی ساخته‌شده در آینده، واقعاً با باتری‌های لیتیوم‌یونی قابل رقابت است.»
باتری پروتونی چگونه کار می‌کند؟
نمونه‌ی اولیه‌ی باتری پروتونی، ترکیبی از جنبه‌های مثبت سوخت‌های هیدروژی و توان الکتریکی باتری‌ها است. آخرین نسخه‌ی ترکیبی از این نسل باتری‌ها، منجر به تولید الکترود کربنی شد که باتری قابل‌شارژی را برای ذخیره‌سازی حالت جامد هیدروژن با سلول‌های سوختی برگشت‌پذیر ارائه می‌کند. موفقیت‌آمیز بودن استفاده از الکترود کربنی فعال در باتری پروتونی، گامی رو به جلو است که نتایج آن در نشریه‌ی Hydrogen Energy منتشر شده است.
پروتون‌های تولید شده از طریق غشای سلولی شارژ می‌شوند و بدون اینکه گاز هیدروژنی تولید کنند، به‌طور مستقیم با الکترون‌های منبع‌تغذیه پیوند دارند. در طول تولید برق، این فرآیند برعکس می‌شود؛ یعنی اتم هیدروژن آزاد می‌شود و الکترون از دست می‌دهد تا دوباره به پروتون تبدیل شود. این پروتون‌ها از غشای سلولی عبور کرده و با اکسیژن ترکیب می‌شوند تا مجدداً آب تولید شود.
یکی از مزیت‌های بالقوه‌ی این باتری‌ها، بهره‌وری بسیار بالاتر نسبت به باتری‌های هیدروژنی معمولی است که با باتری‌های لیتیوم‌یونی قابل مقایسه هستند؛ همچنین در طول این فرآیند، تلفات مربوط به گاز هیدروژن و تجزیه‌ی دوباره‌ی پروتون‌ها حذف می‌شود. چند سال پیش، گروهی از RMIT نشان داد که باتری‌های پروتونی با الکترود آلیاژ فلزی برای ذخیره‌سازی هیدروژن کارآمد است، اما قابلیت برگشت‌پذیری و شارژ مجدد بسیار کمی دارد. آلیاژ استفاده شده در این تحقیق آلومینیوم با عناصری نادر بود که هم سنگین و هم هزینه‌بر بود.
آخرین نتایج تجربی نشان داد که الکترود متخلخل اکسید شده با کربن ساخته‌شده از رزین فنول، قادر به‌ذخیره‌سازی حدود 1wt% هیدروژن در الکترود است. wt% یا همان درصد وزن، انرژی در واحد جرم است که در مقایسه با باتری‌های لیتیوم‌یونی موجود در بازار قابل مقایسه است و حداکثر ولتاژ هر سلول ۱.۲ ولت است.
نوشته: جیمز گیگاچر
ترجمه: علی عمانی - مجله علمی ایلیاد