تحول در دستگاه‌های پوشیدنی: دانشمندان باتری لیتیمی انعطاف‌پذیر و خودترمیم‌شونده ساختند

پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا برکلی، موفق به ساخت نوعی باتری آزمایشی انعطاف‌پذیر و غیرسمی شده‌اند که در برابر خمش، برش و آسیب‌های فیزیکی مقاوم است. این دستاورد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای ساخت ابزارهای پوشیدنی و ربات‌های نرم فراهم کند.

باتری‌های لیتیم-یونی که امروزه انرژی بسیاری از دستگاه‌ها از جمله تلفن‌های هوشمند و خودروهای برقی را تأمین می‌کنند، معمولاً در محفظه‌هایی مهروموم‌شده و سخت قرار دارند تا از اجزای داخلی آن‌ها در برابر فشارهای مکانیکی محافظت و از تماس الکترولیت‌های اشتعال‌پذیر و سمی با هوا جلوگیری شود.

اگرچه پیش‌تر نیز باتری‌های انعطاف‌پذیری با استفاده از الکترولیت‌های هیدروژلی ساخته شده‌اند، همگی دارای کاستی‌های قابل‌توجهی بوده‌اند. لیوی لین، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و نویسنده ارشد این تحقیق، می‌گوید: «تمام این باتری‌ها تنها می‌توانستند برای مدت کوتاهی کار کنند؛ گاهی چند ساعت، گاهی چند روز». اما باتری‌ای که تیم او طراحی کرده، توانست ۵۰۰ چرخه کامل شارژ را پشت سر بگذارد که با ظرفیت درنظر گرفته‌شده برای باتری‌های رایج در تلفن‌های هوشمند تقریباً برابری می‌کند.

لین در گفت‌و‌گو با ارز تکنیکا توضیح می‌دهد که باتری‌های امروزی به دلیل استفاده از الکترولیت‌های انفجاری، نیازمند محفظه‌های سخت هستند، اما هدف تیم او ساخت یک باتری ایمن بدون چنین پوشش سختی بوده است.

از سوی دیگر، محفظه‌های انعطاف‌پذیر می‌توانند به‌راحتی در برابر نفوذ هوا یا آب آسیب‌پذیر باشند و این نفوذ باعث واکنش شدید با الکترولیت‌های رایج، تولید گرما و حتی آتش‌سوزی یا انفجار می‌شود. به همین دلیل، از سال ۲۰۱۷ پژوهشگران به استفاده از الکترولیت‌های شبه‌جامد هیدروژلی روی آوردند. این هیدروژل‌ها‌ی شبه‌جامد از شبکه‌ای پلیمری ساخته شده‌اند که شکل آن‌ها را حفظ می‌کند. شبکه پلیمری با استفاده از موادی مانند بوره یا پیوندهای هیدروژنی به‌هم متصل می‌شود و دارای فاز مایع از آب به همراه نمک یا افزودنی‌های الکترولیتی است که یون‌ها را در حین شارژ و تخلیه‌ی باتری جابه‌جا می‌کند.

هیدروژل‌های الکترولیتی مشابه مشکلات خاص خود را داشتند. اولین مشکل، پنجره‌ی پایداری الکتروشیمیایی محدود بود که به معنای محدوده‌ی ولتاژی است که باتری می‌تواند در آن فعالیت کند. پِیشنگ هه، پژوهشگر مرکز سنسور و عملگر دانشگاه کالیفرنیا برکلی و نویسنده اصلی مطالعه، می‌گوید: «این واقعاً محدود می‌کند که باتری شما چه مقدار ولتاژ می‌تواند تولید کند.» امروزه باتری‌ها معمولاً با ۳٫۳ ولت کار می‌کنند، بنابراین پنجره‌ی پایداری آن‌ها باید بالاتر از آن، مثلاً چهار ولت، باشد.

چالش لین، هه و همکارانشان ساخت باتری هیدروژلی با پنجره‌ی الکتروشیمیایی وسیع، ترجیحاً بالاتر از سه ولت و بدون خطر سوختگی شیمیایی شدید هنگام آسیب بود.

ترکیب شیمیایی باتری ساخته‌شده توسط محققان با پلیمرهایی شروع می‌شود که دارای بارهای مثبت و منفی هستند (که به آن‌ها یون دو‌قطبی یا زویتریون گفته می‌شود) و به‌عنوان شبکه‌ی ساختاری عمل می‌کنند. مولکول‌های آب با قسمت‌های باردار این پلیمر، پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهند، در حالی که یون‌های لیتیوم به قسمت‌های بار منفی جذب می‌شوند. به این ترتیب، پلیمر زویتریونیک می‌تواند آب را به‌اندازه‌ای محکم به خود جذب کند که از تجزیه آن در ولتاژهای بالاتر جلوگیری کند، در حالی که همچنان یون‌های لیتیوم را هنگام نیاز آزاد می‌کند. سپس تیم از اسید اکریلیک به‌عنوان عامل اتصال‌دهنده ژل و یک الکترولیت با نمک لیتیوم بدون فلوئور برای تأمین یون‌های لیتیوم استفاده کرد.

نمک همچنین نقشی اضافی ایفا می‌کند: جذب آب از هوا. روش معمول برای وارد‌کردن قسمت هیدرو به هیدروژل، غوطه‌ور‌کردن پلیمر هیدروفیلیک اتصال‌دهنده در آب است که معمولاً به ۸۰ درصد آب می‌رسد. اما چون تیم نمی‌خواست هیدروژل آن‌ها چنین میزان زیادی آب داشته باشد (به‌دلیل مشکل تجزیه آب)، اجازه داد هیدروژل از رطوبت محیط آب جذب کند.

نتیجه این شد که الکترولیت هیدروژل کم‌آبی به‌دست آمد که فقط ۱۹ درصد آب داشت و در رطوبت معمولی اتاق (حدود ۵۰ درصد) پایدار باقی ماند. تیم تحقیقاتی پس از آماده‌سازی الکترولیت، الکترودها را اضافه کرد و یک باتری کاملاً عملی ساخت که مدار چاپی الکترونیکی با چند چراغ LED را تغذیه می‌کرد. این باتری می‌توانست بیش از یک ماه بدون بسته‌بندی مهروموم شده کار کند و در ولتاژی بالاتر از ۳٫۱ ولت بدون تجزیه‌ی زیاد آب عمل کند که نزدیک به ولتاژ باتری‌های تجاری است.

محققان با وجود موفقیت به دست آمده، شروع به آزمایش‌های شدید و آسیب‌رسان روی باتری کردند.

باتری نرم و ژله‌مانند جدید می‌توانست در شرایطی سخت، مثلا زمانی که تا ۱۸۰ درجه پیچانده می‌شد، خم می‌شد، با سوزن سوراخ می‌شد یا با تیغ بریده می‌شد، چراغ‌های LED را تغذیه کند. این باتری حتی توانایی ترمیم خود را داشت و پس از آنکه به دو نیم تقسیم شد، می‌توانست تا ۹۰ درصد ظرفیت اولیه‌اش را بازیابد، البته پس از قرارگیری در دمای بالا برای فعال‌سازی دوباره‌ی پیوندهای شیمیایی. از آن‌جایی که الکترولیت در هوای آزاد به تعادل می‌رسید، برخلاف دیگر الکترولیت‌های هیدروژلی در برابر هوا تخریب نمی‌شد و پس از ۵۰۰ چرخه‌ی کامل شارژ همچنان عملکرد داشت.

البته باتری جدید بی‌نقص نیست. یک باتری تجاری طراحی‌شده برای ۵۰۰ چرخه باید در پایان این چرخه‌ها، ۸۰ درصد ظرفیت خود را حفظ کند. اما باتری‌ِ نرم لین و هه تنها حدود ۶۰ درصد ظرفیتش را حفظ کرد که جای زیادی برای بهینه‌سازی باقی می‌گذارد. مشکل دیگر، چگالی انرژی پایین آن بود. به گفته‌ی هه: «در مقایسه با باتری‌های پیشرفته‌ی امروزی، ما تقریباً به یک‌دهم ظرفیت آن‌ها دست یافتیم. بنابراین، قطعاً می‌توانیم برای چگالی انرژی بیشتر تلاش کنیم؛ بسته به نوع کاربرد، شاید برخی ویژگی‌ها مانند قابلیت خود‌ترمیمی را قربانی کنیم.»

با این حال، لین معتقد است که چگالی انرژی پایین تصویر کاملی از ماجرا ارائه نمی‌دهد. او می‌گوید: «ساعت هوشمند شما با یک باتری تغذیه می‌شود، اما بند آن فقط یک عملکرد مکانیکی دارد. اگر بتوانید بند را با باتری ما جایگزین کنید، فضای بیشتری خواهید داشت. شاید به‌جای شارژ روزانه، بتوانید یک هفته با آن کار کنید.»

مقاله در نشریه‌ی ساینس منتشر شده است.