محققان یک باتری پروتونی ساخته‌اند که می‌تواند باتری‌های لیتیوم-یون را کنار بزند.

• باتری‌های لیتیوم-یون ستون فقرات دستگاه‌های همراه و خودروهای برقی هستند، اما لیتیوم می‌تواند گران و انفجاری باشد.
• باتری‌های پروتونی که از مواد فراوان‌تری استفاده می‌کنند به عنوان یک جایگزین خوب معرفی شده‌اند، و یک ماده جدید برای آند می‌تواند به حل برخی از مشکلات آن‌ها، مانند محدوده ولتاژ محدود، کمک کند.
• این ماده جدید می‌تواند ۳۵۰۰ چرخه شارژ را تحمل کرده، ظرفیت بالایی را حفظ کرده و در دماهای پایین‌تر نیز عمل کند، اما دانشمندان هنوز باید هزینه‌های تولید و عملکرد کاتد را بهبود بخشند تا باتری‌های پروتونی وارد بازار اصلی شوند.

باتری‌های لیتیوم-یون در دنیای باتری‌ها سلطنت می‌کنند. این فناوری ۵۰ ساله، ستون فقرات الکترونیکی میلیاردها دستگاه همراه در سراسر جهان است و در حال حاضر پیشرو برای تأمین انرژی خودروهای برقی در آینده جهان به شمار می‌آید. اما این بدان معنا نیست که رقبایی ندارد.

برای مثال، هنگام ذخیره انرژی تجدیدپذیر، مفاهیمی مانند باتری‌های آهن-هوا (که از اکسیداسیون برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند) می‌توانند گزینه‌های بهتری نسبت به لیتیوم گران و انفجاری باشند. و گزینه‌های بیشتری هم در حال بررسی هستند. برای مثال، ایده باتری‌های پروتونی که از پروتون‌های جدا شده از آب استفاده می‌کنند و سپس با الکترود کربن پیوند می‌خورند، در حال محبوب شدن است. این خبر خوبی است زیرا باتری‌های پروتونی به عناصر نادری مانند لیتیوم نیاز ندارند. حالا، دانشمندان دانشگاه نیو ساوت ولز سیدنی (UNSW) قصد دارند آن‌ها را به جریان اصلی تبدیل کنند.

“باتری‌های پروتونی مزایای زیادی دارند”، سیچنگ وو، دانشجوی دکتری در UNSW سیدنی، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت. “اما مواد الکترودی که در حال حاضر برای باتری‌های پروتونی استفاده می‌شوند، برخی از آن‌ها از مواد آلی و برخی دیگر از فلزات ساخته شده‌اند، سنگین هستند” و هنوز هم هزینه زیادی دارند.

علاوه بر این هزینه، تعداد کمی از الکترودهای کربنی که وجود دارند، محدوده ولتاژ محدودی دارند و این دو نقص باعث می‌شود که باتری‌های پروتونی هنوز نتوانند جایگزین واقعی باتری‌های لیتیوم-یون باشند. اما دانشمندان UNSW سیدنی یک الکترود کربنی جدید به نام تتراامینو-بنزوکینون (TABQ) برای حل این مشکل توسعه داده‌اند. تیم تحقیقاتی ابتدا با یک مولکول کوچک به نام تتراکلرو-بنزوکینون (TCBQ) شروع کردند که پتانسیل ردوکس کافی برای تبدیل شدن به کاتد نداشت یا پتانسیل کافی برای تبدیل شدن به آند را نداشت.

بنابراین، تیم وو گروه‌های کلرو در مولکول را با گروه‌های آمینو جایگزین کرد (به همین دلیل نام تغییر کرد) و متوجه شدند که پتانسیل پایین‌تر به این مولکول این امکان را می‌دهد که به عنوان یک گزینه عالی برای آند عمل کرده و توانایی آن در ذخیره پروتون‌ها را بهبود بخشد. در حالی که هنوز با کاتد TCBQ جفت شده است، این باتری کاملاً آلی می‌تواند ۳۵۰۰ چرخه شارژ کامل را تحمل کرده، ظرفیت بالایی حفظ کند و در شرایط سرد به خوبی عمل کند—یک اثر جانبی مفید، زیرا ما به مزرعه‌های باتری به‌ویژه در بخش‌های سردتر و تاریک‌تر جهان نیاز داریم، در حالی که لیتیوم در دماهای بسیار پایین کارایی خود را از دست می‌دهد.

و یک مزیت دیگر: آن‌ها منفجر نمی‌شوند.

“الکترولیت در باتری‌های لیتیوم-یون از نمک لیتیوم ساخته شده است، یک حلال که قابل اشتعال است و بنابراین نگرانی بزرگی به شمار می‌آید”، چوان ژائو، استاد UNSW سیدنی، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت. “در مورد ما، هر دو الکترود از مولکول‌های آلی ساخته شده‌اند و در میان آن‌ها یک محلول آبی داریم که باعث می‌شود باتری اولیه ما سبک، ایمن و مقرون به صرفه باشد.”

در حالی که TABQ یک آند عالی است، تیم اعتراف می‌کند که کاتدی که در حال حاضر از TCBQ استفاده می‌کند—که پتانسیل ردوکس بالایی ندارد—باید در آینده بهبود یابد. به نظر می‌رسد که کار بیشتری در پیش است تا باتری‌های پروتونی بتوانند لیتیوم را به عنوان باتری انتخابی انقلاب سبز کنار بزنند.

“ما یک ماده آند بسیار خوب طراحی کرده‌ایم”، وو گفت. “و کارهای آینده به سمت بخش کاتد حرکت خواهد کرد. ما به طراحی مواد آلی جدید با دامنه پتانسیل ردوکس بالاتر ادامه خواهیم داد تا ولتاژ خروجی باتری را افزایش دهیم. برای تقویت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، باید تکنولوژی‌های یکپارچه‌سازی انرژی کارآمدتری توسعه دهیم و طراحی باتری پروتونی ما یک آزمایش امیدوارکننده است.”