اختصاصی بسپار/ آیا آینده ذخیره‌سازی انرژی در دستان پلاستیک است؟/ باتری‌های پلیمری بدون لیتیوم؛ جهشی در ذخیره‌سازی انرژی زیست‌پایدار
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران آیا آینده ذخیره‌سازی انرژی در دستان پلاستیک است؟ پژوهشی در دانشگاه Ulm آلمان نشان می‌دهد که پاسخ می‌تواند مثبت باشد. در گفت‌وگویی اختصاصی با K-Mag، پروفسور Birgit Esser از مزایا، چالش‌ها و چشم‌انداز باتری‌های بسپاری (Polymer Batteries) که بدون فلزات کم‌یاب همچون لیتیوم کار می‌کنند، می‌گوید.
❓چه چیزی باعث شد شما به پژوهش در مورد باتری‌های بسپاری بدون لیتیوم علاقمند شوید؟
🔹 Esser: آنچه برای من جذاب است، توانایی بی‌نظیر شیمی آلی در ساخت مواد سفارشی با خواص موردنیاز برای ذخیره‌سازی انرژی است. با این روش می‌توانیم از “جعبه ابزار” مولکولی شیمی آلی، مواد الکترودی تولید کنیم که دقیقا مطابق با اهداف طراحی باشند.
❓باتری‌های بسپاری از نظر کارکرد چه تفاوتی با باتری‌های لیتیوم‌یونی دارند؟
🔹 در باتری‌های لیتیوم‌یونی، یون‌های لیتیوم بین دو الکترود مثبت و منفی جابجا می‌شوند. اما در باتری‌های بسپاری، یک یا هر دو الکترود می‌تواند از مواد آلی ساخته شود. علاوه بر این، بسته به ساختار، یک بسپار می‌تواند به عنوان ماده‌ی n-type (جذب‌کننده الکترون و یون فلزی مانند لیتیوم) یا p-type (دهنده الکترون و جذب‌کننده آنیون) عمل کند. هم‌چنین این ویژگی در مواد آلی بسیار رایج است اما در مواد معدنی نادر است. برای مثال، graphite تنها استثنا در دسته معدنی‌هاست که به‌صورت p-type عمل می‌کند.
❓آیا می‌توان لیتیوم را در این باتری‌ها با فلزات دیگر جایگزین کرد؟
🔹 بله. یکی از اهداف اصلی این پروژه، ساخت باتری‌هایی بر پایه فلزات فراوان‌تری مانند آلومینیوم یا منیزیم است. در این زمینه، گروه پژوهشی POLiS Cluster of Excellence در دانشگاه Ulm فعالیت گسترده‌ای دارد.
❓مواد بسپاری برای استفاده در باتری باید چه ویژگی‌هایی داشته باشند؟
🔹 فعالیت اکسایش-کاهش: یعنی توانایی پذیرش یا آزادسازی برگشت‌پذیر الکترون‌ها و نامحلول بودن در الکترولیت: الکترولیت باتری حلالی قطبی است و باید نمک هادی را حل کند، اما نباید بسپار را حل کند؛ زیرا منجر به اتصال کوتاه می‌شود.
برای رسیدن به این خواص، از بسپارهای دارای گروه‌های اکسایش-کاهشی مانند quinone یا heterocycleهای آروماتیک استفاده می‌شود که اغلب با اتصال عرضی در شبکه‌ای نامحلول تثبیت می‌شوند.
❓چگونه می‌توان خواص این بسپارها را متناسب با نیاز تنظیم کرد؟
🔹 با استفاده از شیمی آلی، می‌توان گروه‌های اکسایش-کاهشیرا از طریق افزودن گروه‌های جانشین تنظیم کرد. این تغییرات باعث تنظیم پتانسیل اکسایش-کاهشی و افزایش پایداری چرخه‌ای الکترود می‌شوند. ضمنا گاهی تجزیه‌های صورت‌گرفته در حین کارکرد باتری، اطلاعاتی درباره نقاط حساس ساختار مولکولی می‌دهند که با اصلاح شیمیایی می‌توان آن‌ها را مقاوم‌سازی کرد.
❓کاربردهای اصلی این باتری‌ها در حال حاضر چیست؟
🔹 در ذخیره‌سازی انرژی ایستا (برای شبکه برق، خانه‌ها یا مراکز داده)، که در دهه‌های آینده به‌شدت مورد نیاز خواهد بود. این کاربرد نیازمند ایمنی، طول‌عمر و هزینه پایین است. هم‌چنین در باتری‌های قابل‌چاپ، خم‌شونده و نازک که برای تجهیزات سبک یا وسایل پوشیدنی طراحی می‌شوند و در آن ویژگی‌های مکانیکی و انعطاف‌پذیری بسپارها بسیار ارزشمند هستند.
❓آیا حذف فلزات گران‌بها می‌تواند بازیافت باتری‌ها را ساده‌تر کند؟
🔹 بله. یکی از چالش‌های بازیافت باتری‌ها، جداسازی ترکیبات با ارزش است. باتری‌های بسپاری که فاقد فلزات گران‌بها باشند، از این نظر بسیار ساده‌تر بازیافت می‌شوند و به زیست‌پایداری کمک می‌کنند.
❓در افق ۵ تا ۱۰ سال آینده، باتری‌های بسپاری در چه جایگاهی قرار خواهند گرفت؟
🔹 توسعه باتری‌های جدید یک فرایند زمان‌بر است. مانند آنچه برای باتری‌های لیتیوم‌یونی رخ داد که چند دهه طول کشید. اما انتظار می‌رود تا یک دهه آینده، پیشرفت‌های چشمگیری در شناسایی زیست‌بسپارهای مناسب برای ساخت سلول‌های پسا‌لیتیومی صورت گیرد؛ این فرایند با طراحی هوشمند الکترودهای آلی و بررسی دقیق واکنش‌های ذخیره‌سازی انرژی، سرعت خواهد گرفت.
❓چه چیزی به شما در این پژوهش‌ها بیش از همه انگیزه می‌دهد؟
🔹 مشارکت در حل یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های بشر: انرژی پاک و حمایت از دانشجویان و پژوهشگران جوان و ایجاد تاثیر پایدار بر آینده پژوهش و صنعت.
بازار جهانی چه می‌گوید؟
بر اساس داده‌های موسسه IDTechEx، ارزش بازار باتری‌های بر پایه بسپارهای آلی تا سال ۲۰۳۳ می‌تواند به بیش از ۵.۲ میلیارد دلار برسد، به‌ویژه با سرمایه‌گذاری شرکت‌هایی چون Enpower Greentech و PolyJoule در این حوزه.
