پژوهشگران دانشگاه تهران سازوکار عملکرد باتری‌های روی-منگنز را به چالش کشیدند

پژوهشگران دانشگاه تهران با ارائه یافته‌های جدید، یکی از مفروضات بنیادین در حوزه ذخیره‌سازی انرژی را به چالش کشیدند. این مطالعه نشان می‌دهد که فرآیند عملکرد در باتری‌های آبی روی-منگنز برخلاف باورهای رایج، لزوماً وابسته به ورود یون‌های روی به ساختار کاتد نیست.

شکستن پارادایم‌های قدیمی در شیمی باتری

سال‌ها بود که در میان متخصصان حوزه انرژی، این باور غالب بود که یون‌های Zn2+ در هنگام شارژ و تخلیه، وارد ساختار کاتد شده و از آن خارج می‌شوند. این فرآیند «میان‌نشانی» (Intercalation) به عنوان عامل اصلی ذخیره و آزادسازی انرژی شناخته می‌شد. با این حال، نتایج آزمایش‌های جدید نشان می‌دهد که این سازوکار نقش بسیار کمرنگی در عملکرد کلی این نوع باتری‌ها ایفا می‌کند.

درک نادرست از مسیر حرکت یون‌ها می‌تواند منجر به اتلاف منابع در مسیرهای اشتباه برای بهینه‌سازی باتری شود. بنابراین، بازنگری در این مدل‌های علمی برای دستیابی به فناوری‌های کارآمدتر ضروری به نظر می‌رسد.

آزمایش کنترل‌شده و نتایج غیرمنتظره

برای اثبات این موضوع، تیم تحقیقاتی با استفاده از یک غشای تبادل آنیونی، مسیر رسیدن یون‌های روی به نزدیکی کاتد را مسدود کردند. هدف این بود که اگر میان‌نشانی یون‌ها حیاتی است، ظرفیت باتری باید به شدت کاهش یابد. اما واقعیت متفاوت بود:

• اختلاف ظرفیت: تنها کمتر از ۱۰ درصد تفاوت بین حالت عادی و حالت مسدود شده مشاهده شد.
• تداوم عملکرد: باتری توانست بخش اعظم ظرفیت خود را حتی بدون حضور یون‌های روی در نزدیکی کاتد حفظ کند.
• تأثیر پارامترهای دیگر: احتمال می‌شود تغییرات pH و محصولات جانبی، نقش بیشتری نسبت به میان‌نشانی یون‌ها داشته باشند.

سازوکار جایگزین: انحلال و رسوب مجدد

این مطالعه مدل جدیدی را برای توضیح عملکرد باتری‌های آبی روی-منگنز پیشنهاد می‌دهد. بر اساس این یافته‌ها، به نظر می‌رسد فرآیند اصلی شامل موارد زیر باشد:

1. انحلال الکتروشیمیایی دی‌اکسید منگنز (MnO2) در طول مرحله تخلیه.
2. رسوب مجدد این ماده بر روی الکترود در طول فرآیند شارژ.

این مدل نشان می‌دهد که واکنش‌ها لزوماً به ورود و خروج مستقیم یون‌های روی از شبکه جامد کاتد وابسته نیستند. این کشف می‌تواند مسیر طراحی باتری‌های ایمن‌تر و ارزان‌تر را تغییر دهد.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده

پژوهشگران دانشگاه تهران با این دستاورد، گامی مهم در جهت شفاف‌سازی فرآیندهای پیچیده شیمیایی برداشتند. شناخت دقیق سازوکار واقعی در باتری‌های آبی روی-منگنز، کلید اصلی برای تجاری‌سازی این فناوری در حوزه‌های ذخیره‌سازی انرژی ایستا و تجهیزات پوشیدنی خواهد بود. اکنون تمرکز علمی باید از اصلاح مدل‌های اشتباه، به سمت بررسی دقیق‌تر نقش انحلال و واکنش‌های جانبی تغییر جهت دهد.