باتری‌های آینده: چگونه پنبه و آب دریا می‌توانند دستگاه‌های ما را تامین کنند

فرارو- برق قطع شده اما در خیابانی در هند یک دستگاه پول نقد هنوز اسکناس ارائه می دهد که باعث خوشحالی است. تا حدی باید از پنبه سوخته قدردانی کنیم! برای این دستگاه خودپرداز پول نقد یک باتری پشتیبان تعبیه شده باتری حاوی کربن از پنبه ای که احتراق آن به دقت صورت گرفته است.

به گزارش فرارو به نقل از بی بی سی ورلد، "اینکتسو اوکینا" از PJP Eye شرکت ژاپنی سازنده آن باتری می گوید:"فرایند دقیق آن مخفی است. باید این را صادقانه بگویم و نمی توانم درباره جزئیات آن چیزی بگویم". او می افزاید:"دما، جو و فشار اعمال شده در این فرآیند مخفی هستند و فاش نمی شوند".

اوکینا می گوید برای این فرآیند دمای بالا لازم است دمایی بالاتر از 3 هزار درجه ساتی گراد و آن 1 کیلوگرم پنبه 200 گرم کربن به همراه صرفا 2 گرم مورد نیاز بر هر سلول باتری تولید می کند. اوکینا می گوید آن شرکت در سال 2017 میلادی یک محموله پنبه خریداری کرد و هنوز از تمام آن استفاده نکرده است.

در باتری‌های توسعه یافته توسط آن شرکت که همراه با محققان دانشگاه کیوشو در فوکوئوکا در ژاپن از کربن برای آند استفاده می ‌شود یکی از دو الکترودی که بین آن یون ‌ها یا ذرات باردار در باتری ها جریان دارند. هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است یون ها در یک جهت حرکت می کنند و زمانی که انرژی به دستگاهی آزاد می شود در جهت دیگری حرکت می کنند. اکثر باتری ها از گرافیت به عنوان آند استفاده می کنند اما PJP Eye استدلال می کند که رویکرد آنان پایدارتر است زیرا می توانند  آندهایی را با استفاده از پنبه ضایعات صنعت نساجی بسازند. با توجه به تقاضای زیاد برای باتری ‌ها در سال ‌های آینده به دلیل ظهور وسایل نقلیه برقی و سیستم‌ های ذخیره انرژی بزرگ برخی از محققان و صاحبان کسب ‌و کارها دیوانه‌ وار در حال توسعه جایگزین ‌های احتمالی برای باتری‌ های لیتیوم یون و گرافیت هستند که امروزه استفاده از آن رایج است. آنان مانند PJP Eye استدلال می کنند که ما می توانیم از مواد بسیار پایدارتر و در دسترس تری برای تولید باتری استفاده نماییم.

استخراج لیتیوم می تواند تاثیر قابل توجهی بر محیط زیست داشته باشد. استخراج این فلز به مقدار زیادی آب و انرژی نیاز دارد و این فرآیند می تواند آسیب های زیادی را در بلند مدت ایجاد کند. لیتیوم بازیافتی اغلب در فواصل طولانی از جایی که استخراج می شود تا جایی که به کشورهایی مانند چین انتقال می یابد تا پالایش شود مسافت طولانی ای را می پیماید. گرافیت نیز استخراج می‌ شود یا از سوخت‌ های فسیلی ساخته می‌شود که هر دوی آن ها اثرات منفی زیست‌ محیطی نیز دارند. "سام ویلکینسون" تحلیلگر در S&P Global Commodity Insights می‌گوید:"تصور این که یک ماده باتری از طریق استخراج و حمل ‌و نقل انجام می ‌شود بسیار آسان است". در مثالی دیگر کبالت که در بسیاری از باتری‌های لیتیوم یون مورد استفاده قرار می گیرد عمدتا در جمهوری دموکراتیک کنگو استخراج می‌شود. با این وجود، گزارش هایی از شرایط کاری خطرناک در آنجا وجود دارد.

از آب دریا گرفته تا زباله‌های زیستی و رنگدانه‌ های طبیعی فهرست طولانی‌ ای از جایگزین ‌های بالقوه در طبیعت وجود دارند که بسیار گسترده ‌تر در دسترس هستند. بخش دشوار ماجرا آنجاست که بتوانیم اثبات کنیم هر یک از آن جایگزین ها به طور واقعی قادر خواهند بود با انواع باتری های موجود در بازار رقابت کنند. به نظر می رسد در عصر مملو از وسایل ما این جایگزین ها بسیار ضروری هستند. PJP Eye هم چنین امکان بهبود عملکرد باتری و همچنین سبزتر کردن باتری ها (یعنی سازگار کردن آن ها با محیط زیست) را مطرح می کند. اوکینا با توضیح این که چگونه شیمی آنُد در باتری تک کربنی آنان اجازه می دهد تا باتری بسیار سریع و تا ده برابر سریع تر از باتری های لیتیوم یون موجود شارژ شود می افزاید:"کربن ما مساحت سطح بیش تری نسبت به گرافیت دارد." کاتد باتری از یک اکسید "فلز پایه" ساخته شده است. اگرچه اوکینا دقیقا فاش نمی کند که از اکسید کدام فلز ساخته شده است. این فلزات شامل مس، سرب، نیکل و روی هستند که نسبت به فلزات قلیایی مانند لیتیوم واکنش پذیری کم تری دارند. آن شرکت ادعا می کند که روی یک باتری الکترود دو کربنه کار می کند جایی که هر دو الکترود از کربن گیاهی ساخته شده اند. این فناوری بر اساس تحقیقات انجام شده توسط محققان دانشگاه کیوشومورد ارزیابی قرار گرفته اگرچه انتظار می رود باتری آن تا سال 2025 میلادی در دسترس نباشد. توانایی شارژ سریع باتری برای یک دستگاه خودرپرداز بانکی چندان مهم نیست اما برای یک وسیله نقلیه الکتریکی مهم است زمانی که شما صرفا می خواهید آن خودرو را شارژ کرده و با آن جابجا شوید. او اشاره می کند که شرکت چینی Goccia با مشارکت هیتاچی دوچرخه برقی ای را ساخته که از باتری PJP Eye استفاده می کند و آن را در اوایل سال آینده در ژاپن به فروش می رساند. حداکثر سرعت دوچرخه 50 کیلومتر در ساعت است و شما قادر خواهید بود با یکبار شارژ مسافت 70 کیلومتری را طی کنید.

این تنها باتری ای است که از کربن موجود در مواد زیستی زباله استفاده می کند. Stora Enso در فنلاند یک آند باتری ساخته که از کربن موجود در لیگنین پلیمری که در درختان یافت می شود استفاده می کند. به گفته برخی از محققان پنبه هم چنین می تواند به جای الکترولیت مورد استفاده قرار گیرد که جریان یون ها را بین کاتد و آند تسهیل می کند و به طور بالقوه باتری های حالت جامد پایدارتری نسبت به باتری های موجود در حال حاضر ایجاد می کند.

با این وجود، برخی محققان منابع حتی بزرگتر و بالقوه تمام نشدنی انرژی را در طبیعت مدنظر قرار داده اند. "استفانو پاسرینی" معاون موسسه هلمهولتز اولم در آلمان استدلال می ‌کند که اقیانوس ‌های وسیع جهان یک ذخیره "عملا نامحدود" از مواد برای باتری ‌ها را نشان می ‌دهند. او و همکاران اش در مقاله ای که در مه 2022 منتشر شد طراحی خود را برای باتری ای که یون های سدیم را از آب دریا به بیرون از آن انتقال می دهد به منظور ایجاد ذخیره ای از فلز سدیم توضیح دادند. برای انجام این کار آن تیم یک الکترولیت پلیمری ویژه طراحی کردند که یون های سدیم ممکن است از آن عبور کنند.

آب دریا در اینجا به عنوان کاتد یا الکترود با بار مثبت عمل می کند اما هیچ آندی وجود ندارد زیرا سدیم دارای بار منفی نمی شود و صرفا به شکل خنثی انباشته می شود. پاسرینی می ‌گوید می‌ توان از باد یا انرژی خورشیدی مازاد برای انباشت سدیم استفاده کرد که قادر است تا زمانی که نیاز باشد در آنجا بماند. او توضیح می‌دهد:"وقتی به انرژی نیاز دارید می ‌توانید فرآیند را معکوس کنید و الکتریسیته تولید نمایید".

او توضیح می دهد که چگونه فلز به سادگی به اقیانوس بازگردانده می‌ شود. اگرچه چالش هایی در این زمینه وجود دارد. به بیانی ملایم سدیم در وضعیت بسیار مشابه لیتیوم هنگامی که با آب تماس پیدا می کند واکنش پر انرژی نشان می دهد. همان طور که پاسرینی می گوید:"شما یک انفجار خواهید داشت". بنابراین بسیار مهم است که اطمینان حاصل شود که آب دریا به ذخیره سدیم نشت نمی کند در غیر این صورت ممکن است فاجعه رخ دهد. بنابراین، برخی از محققان به دنبال ماده ای هستند که به طور طبیعی در استخوان ها و دندان های ما در میان بسیاری از مکان های دیگر به عنوان جایگزین ایمن تر برای کاتدها یافت می شود: کلسیم.

برای مثال، می توان  آن را با سیلیکون ترکیب کرد که به انتقال یون ‌های کلسیم در باتری آینده کمک می‌کند. فهرست موادی که می ‌توانند به باتری‌ های آینده قدرت بیشتری بدهند عجیب ‌تر می‌شود. "جورج جان" از دانشگاه شهری نیویورک و همکاران اش مدت‌هاست پتانسیل کوئینون ‌ها رنگدانه ‌های بیولوژیکی موجود در گیاهان و سایر موجودات را برای عمل به عنوان الکترود در باتری ‌ها بررسی کرده‌ اند. آنان حتی نتایج امیدوارکننده‌ ای با مولکولی مشتق شده از حنا داشته ‌اند رنگ مورد استفاده برای خالکوبی که از Lawsonia inermis یا درخت حنا به دست می آید.

او خاطرنشان می کند که یکی از موانع آن است که مولکول طبیعی حنا بسیار محلول است و هنگامی که به عنوان کاتد استفاده می شود به تدریج در یک الکترولیت مایع حل می شود. با این وجود، آنان با ترکیب چهار مولکول حنا با یکدیگر و افزون لیتیوم توانسته اند یک ماده  قابل بازیافت با ساختار کریستالی بسازند که بسیار قوی ‌تر است. او می افزاید:"به دلیل افزایش کریستالینیتی (بلورینگی) حلالیت کاهش می یابد".

جان اشاره می کند که طرح های باتری که او و همکاران اش بر روی آن کار می کنند ممکن است ظرفیت کافی برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی را نداشته باشند اما روزی می ‌توانند در دستگاه‌ های پوشیدنی کوچک مورد استفاده قرار گیرند برای مثال، در ابزارهایی که سطح قند خون را در افراد مبتلا به دیابت یا سایر نشانگرهای زیستی اندازه گیری می کنند.

محققان دیگر به دنبال استفاده از مواد متنوعی مانند ضایعات ذرت و پوسته بذر خربزه برای تولید انواع جدیدی از الکترودها برای استفاده در باتری ها هستند. با این وجود، چالش ممکن است در تولید آن ها در مقیاسی باشد که بتوانند تقاضای فزاینده صنعت باتری را برآورده سازند.

چالش کلی برای هر نوع مواد باتری جایگزین همیشه از نظر برآورده ساختن تقاضای فوق ‌العاده مورد انتظار است. در این میان می توانید از فناوری باتری مبتنی بر لیتیوم و گرافیت امروزی استفاده کنید. با این وجود، "مکس رید" تحلیلگر وود مکنزی تخمین می‌زند که اگر به استفاده از آن ادامه دهیم جهان تا سال 2030 سالانه به دو مگاتن گرافیت نیاز دارد تا بتواند صنعت پررونق باتری سازی را تامین کند. این در مقایسه با 700 کیلوتن فعلی است. او می افزاید:"تقاضا واقعا افزایشی سه برابری یافته است تا حدودی به همین دلیل است که جایگزین های گرافیت باید ظرفیت بالایی داشته باشند. دستیابی به این مقیاس ها برای هر ماده جدید فوق العاده دشوار خواهد بود".

"جیل پستانا" دانشمند و مهندس باتری مستقر در کالیفرنیا که در حال حاضر به عنوان مشاور مستقل کار می کند یادآور می شود که تغییر فرآیند های تولید به دور از گرافیت بسیار پرهزینه و به طور بالقوه یک خطر تجاری بزرگ است.

او در مورد استفاده از زباله‌های زیستی برای آندهای کربنی تردید دارد زیرا منابع چنین زباله‌ هایی ممکن است همواره سازگار با محیط زیست نباشند. برای مثال، درختکاری که از نظر تنوع زیستی مدیریت ضعیفی دارد.

از سوی دیگر، در بازارهایی که به نظر می ‌رسد مصرف‌ کنندگان واقعا به پایداری محصولاتی که خریداری می کنند اهمیت می دهند مواد باتری جایگزین با منبع مناسب ممکن است شانس بیش تری داشته باشند چه باتری ‌ها از کربن مشتق شده از زباله‌ های زیستی ساخته شده باشند یا از هر ماده بالقوه پایدارتری. پستانا می افزاید:"مردم می توانند نقش بزرگی در پیشبرد این تلاش ها داشته باشند".