

به گزارش «فرهیختگان آنلاین»، چند ســــالی اســــــــت که باتریهای قابـــــــــل شارژ لیتیومی جایگزین باتریهای نسل قبل شدهاند و با توجه به عمر بیشتری که دارند، کار را برای کاربران راحتتر کردهاند. این باتریهای لیتیومی در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی قابل استفاده هستند. از پرکاربردترین آنها میتوان به گوشیهای موبایل، لپتاپ، تبلت و سیستمهای مخابراتی اشاره کرد. انرژی این قبیل باتریها در مقایسه با باتریهای قدیمی تا دو برابر بیشتر شده است. اما هنوز هم کاربران در استفادههای طولانی مدت از باتریهای لیتیومی و در صورت عدم دسترسی به پریز شارژ دچار مشکل میشوند. از سوی دیگر، کربنهای گرافیتی در باتریهای لیتیومی فعلی پس از مدت زمانی پوستهپوسته شده و باعث از بین رفتن باتری میشود. سیدمحمد جعفری، دانشجوی دکتری دانشگاه زنجان با فناوری نانو توانسته است با ایجاد تغییرات نانویی روی آند باتری به باتری با خصوصیات فوقالعادهای همچون صرفه اقتصادی بسیار مناسب، ظرفیت بالا، سرعت شارژ- دشارژ زیاد، طول عمر بالا و گستره دمایی بیشتر نسبت به سایر باتریهای یون لیتیوم موجود دست یابد.
هدفتان از اجرای این طرح چه بوده است؟
ما با توجه به رهنمودهای مقام معظم رهبری و تاکید ایشان بر بالا بردن سطح علمی کشور و اتکا بر علم و تولیدات داخلی و با شعار ما میتوانیم، از ابتدا برای تولید انبوه و با هدف تجاریسازی این پروژه شروع به کار کردیم. این پروژه، طرح پایاننامه ارشد من در دانشکده علوم و فناوریهای نوین دانشگاه اصفهان بود. در قالب آن، طرح باتری را شروع کرده و تحقیقات گستردهای را انجام دادهایم. ما مقوله باتریها را از آن جهت انتخاب کردهایم که نیاز ضروری و فوری کشور بوده است. این طرح با همکاری و هماهنگی سازمان پژوهشهای نوین دفاعی (سپند) وزارت دفاع تهران انجام شده و این سازمان در این طرح کمک زیادی به ما کردهاند. از این طرح که از ابتدا با هدف تجاریسازی کلید خورده، یک اختراع نیز به ثبت رسیده است. اختراع این طرح دارای تاییدیه علمی از سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران و واحد مالکیت فکری ستاد ویژه توسعه فناوری نانو است. همچنین این اختراع در جشنواره اختراعات بنیاد ملی نخبگان که در سال 1395 برگزار شده، برگزیده شده است. نتایج این طرح در مجلات معتبر بینالمللی نیز به چاپ رسیده است.
این طرح چگونه عمر باتریهای لیتیومی را افزایش میدهد؟
اصل مادهای که برای این منظور تولید کردهایم، نانو است. این مواد نانویی با بهکار بردن یک روش ابتکاری، به صورت کروی تولید میشوند. درواقع، این نانو مواد میکرو ذرات کرویاند که این ذرات کروی نیز خود دارای حفرههایی در مقیاس نانو هستند. این نوآوری در روش تولید، با مزایای بسیاری همچون صرفه اقتصادی بسیار مناسب، قابلیت کنترل حفرهها در مقیاس نانو (با تغییر مقدار حلالها) و حذف بسیار آسان عامل حفرهساز بعد از ایجاد حفرهها، همراه است. عمر بیشتر و افزایش گستره دمایی این باتریها نیز به دلیل کروی بودن مواد آندی آن است. درواقع باتری ساخته شده با این نانو مواد، تحمل سرما و گرمای بالاتری دارد. از این باتریها حتی میتوان در خودروها (در هوای زمستانی و مناطق گرمسیری) هم استفاده کرد.
این باتریها با طول عمر و ظرفیت بالاتر چگونه کار میکنند؟
مواد سنتز شده در این طرح از دسته مواد نانو متخلخل است که پتانسیل بالایی برای استفاده در کاربردهای مختلفی همچون کاتالیزور، حسگرها، تبادل یون، جداکننده، غشا، تصفیه و جداسازی دارند. مواد نانو متخلخل دارای حفرههایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختارشان را فضای خالی تشکیل میدهد. حال هرچه درصد تخلخل نمونه بیشتر باشد، به دلیل ارتباط بیشتر الکترولیت با سطح الکترود، ضریب نفوذ نیز بیشتر خواهد بود. درواقع چون هنگام درج و دفع لیتیوم درون مواد کربنی، یونهای لیتیوم، بیشتر مسیر را درون الکترولیت طی میکنند و مسیر کمتری را نسبت به مواد غیرمتخلخل درون مواد کربنی میپیمایند و با توجه به اینکه ضریب نفوذ لیتیوم درون محلول الکترولیت بسیار بیشتر از ضریب نفوذ لیتیوم درون مواد کربنی است، بنابراین در کل، ضریب نفوذ الکترودهای متخلخل بیشتر میشود. حال هر چه این حفرهها بزرگتر باشند، هنگام هجوم یونهای لیتیوم در زمان درج و دفع، الکترود را با محدودیت مواجه نمیکند، بنابراین در سرعتهای بالای شارژ و دشارژ بسیار مناسبتر هستند. این مساله را نیز باید یادآور شد که میزان ظرفیت دشارژ با سطح موثر نمونه رابطهای مستقیم دارد. ماکروحفرات با اینکه حفرههای بازی را به نمایش میگذارند و برای سرعتهای بالای شارژ- دشارژ مناسب هستند اما سطح موثرشان بسیار ناچیز است؛ بنابراین ظرفیت بالایی نخواهند داشت. همچنین میکروحفرات با اینکه به دلیل در اختیار گذاشتن سطح بسیار زیاد، ظرفیت زیادی را به نمایش میگذارند اما به دلایل ذکر شده، در سرعتهای بالای شارژ- دشارژ هرگز مناسب نیستند. بنابراین با آنچه گفته شد، مزوحفرهها (حفرههایی با اندازه دو تا 50 نانومتر) به دلیل در اختیار گذاشتن همزمان سطح موثر بسیار زیاد و حجم زیاد حفرهها، برای سرعتهای بالای شارژ-دشارژ، گزینه بسیار مناسبی برای آند باتریهای یون لیتیوم با چگالی انرژی و توان بالا هستند.
این محصول در چه مصارفی قابلاستفاده است؟
باتریهای لیتیومی اصلاح شده که عمر، ظرفیت و توان بالاتری پیدا کردهاند، در صنایع نظامی نظیر تجهیزات مخابراتی و الکترونیکی مانند بیسیم و همچنین در صنایع غیرنظامی مانند انواع باتری تلفنهای همراه، انواع رایانهها، موتورسیکلتها و خودروهای الکتریکی، سامانههای تولید الکتریسیته تجدیدپذیر نظیر ذخیرهساز انرژیهای خورشیدی و بادی، پاوربانکها، UPS و تامین انرژی سیستمهای مخابراتی و شبکههای تلفن همراه کاربرد دارد و به طور کلی در هر جایی که باتری استفاده میشود، قابلیت کاربرد دارند.
ظرفیت این باتریها تا چه مقدار افزایش یافته است؟
در حالت عادی، باتریهای لیتیومی معمولی بین 300 تا 500 مرتبه قابلیت شارژ دارند؛ اما با به کار بردن نانومواد توانستهایم قدرت این باتریها را تا بیش از سه برابر افزایش دهیم به طوری که باتریهای لیتیومی اصلاح شده تا حدود 1500 مرتبه قابلشارژ هستند. در حال حاضر، طرحی که ما انجام دادهایم برای کاربردهای خاص صنعتی بوده است. برای مصارف دیگر باید آزمایشهای مربوطه صورت گیرد. ما در این طرح روی چند موضوع به طور ویژه توجه کردهایم؛ اینکه کمترین زمانی که این باتری میتواند شارژ شود یا بیشترین جریانی که میتواند حین شارژ تحمل کند، چقدر است، چه مقدار از آن شارژ را نگه میدارد و چند ساعت طول میکشد تا این شارژ را تحویل دهد. حداکثر جریانی که این باتری میتواند تحویل دهد، بیش از هفت آمپر است. در واقع، این باتری کمتر از یک ساعت به صددرصد شارژ میرسد و ماندگاری آن به کاربرد باتری بستگی دارد. آغاز هر کاری به دلیل اینکه آشنایی وجود ندارد، سخت است. یک فرد مخترع از صفر تا صد کار را نمیتواند به تنهایی انجام دهد. برای مثال یک فرد نمیتواند هم نیاز بازار و صنعت را شناسایی، هم اختراع کند، هم تولید و هم بازاریابی کند و هم بفروشد. البته در سالهای اخیر مراکز توسعه کسب و کار فناوری یا پارکهای علم و فناوری برای توانمندسازی اختراعات، ایجاد یا فعال شدهاند، اما بسیار ضعیف و سلیقهای عمل میکنند یا حتی بعد از ماهها بررسی باز هم جواب مشخصی نمیدهند. بنابراین با توجه به تاکیدهای مقام معظم رهبری در سالهای اخیر نسبت به اقتصاد مقاومتی و تولید ملی، ما هم از مسئولان انتظار داریم شرایط را برای تحقق این موضوع فراهم کنند؛ چرا که ما مخترعان یکی از گروههایی هستیم که میتوانیم با اختراعاتمان به خوبی به این موضوع جامه عمل بپوشانیم.
و صحبت آخر.
خوشبختانه تولید محصولات با فناوریهای پیشرفته چند سالی است که در ایران اهمیت بیشتری پیدا کرده است؛ اما ظرفیتها و امکانات موجود برای تحقق کامل این مساله هنوز مناسب نیست. امید داریم مسئولان امر بتوانند با تصمیمگیریهای درست و فوری، زمینه را برای تولید صنعتی و انبوه محصولات دانشبنیان و استفاده صنایع کشور از تکنولوژیهای دانشبنیان بیش از پیش آماده کرده تا به این طریق بتوانند حمایتهای مناسبی از محصولات دانشبنیان کنند. در پایان بر خود لازم میدانیم از حمایتهای ستاد ویژه توسعه فناوری نانو تشکر و قدردانی کنیم. امید است نتیجه این سعی و تلاش درخشش عرصههای علمی و صنعتی میهن اسلامیمان باشد.
* نویسنده : ندا اظهری خبرنگار گروه دانشگاه
