نانومواد سلولزی، انرژی تجدیدپذیر ارزان ذخیره می‌کنند

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، طبیعت همیشه با راز‌های خود سخاوتمندانه نیست. به همین دلیل است که برخی محققان به دنبال مکان‌های غیرمعمول برای حل سخت‌ترین چالش‌های ما، از آنتی بیوتیک‌های قوی مخفی شده در روده کرم‌های کوچک گرفته تا روبات‌های چابک الهام گرفته از خفاش‌ها هستند. حال دانشمندان به دنبال راهی برای تهیه مواد پایدار جدید از منابع طبیعی فراوان به ویژه در ساختار چوب درختان هستند.

تیمی از محققان مهندسی مکانیک و صنعتی دانشگاه نورث‌ایسترن آمریکا با استفاده از نانومواد منحصر به‌فرد ساخته شده از سلولز باتری‌هایی کوچک و ارزان‌تر از باتری‌های معمول ساخته‌اند که برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر از جمله نور خورشید و باد به کار می‌روند.

سلولز فراوان‌ترین پلیمر طبیعی روی زمین به شمار می‌رود که مهم‌ترین مؤلفه ساختاری گیاهان است. به گفته محققان، سلولز حاوی ساختار‌های مهم مولکولی است که می‌توان برای بهبود باتری‌ها، کاهش آلودگی ناشی از پلاستیک و ایجاد نوعی شبکه برق استفاده کرد که می‌تواند برق مورد نیاز مردم را با انرژی تجدیدپذیر تامین کند.

محققان می‌گویند: ما سعی داریم از چوب، پوست، دانه‌ها، گل‌ها، باکتری‌های درخت و همچنین چای سبز استفاده کنیم تا آن‌ها را جایگزین پلاستیک کنیم. یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها در ذخیره انرژی خورشید، باد و سایر انواع تجدیدپذیر تغییر در عواملی مانند آب و هواست که منجر به ناپایداری منابع انرژی می‌شود. اینجاست که باتری‌هایی با ظرفیت زیاد وارد عمل می‌شوند. اما ذخیره انرژی زیادی که نور خورشید و باد قادر به تامین آن باشند، نیاز به دستگاه خاصی دارد.

پیشرفته‌ترین باتری‌ها برای انجام این کار که «باتری‌های جریان» نامیده می‌شوند، با یون‌های وانادیوم حل شده در اسید در دو مخزن جداگانه ساخته می‌شوند؛ یکی محلولی با یون‌های منفی و دیگری با مثبت. این دو محلول به طور مداوم از مخزن به داخل یک سلول پمپ می‌شوند که این فرآیند آن را به موتوری برای باتری تبدیل می‌کند. این مواد همیشه توسط غشای خاصی از هم جدا می‌شوند تا یون‌های مثبت هیدروژن بدون تداخل با مایع‌های دیگر رد و بدل شوند. این رد و بدل انتخابی یون‌ها اساس عملکرد باتری در شارژ و تخلیه انرژی است.

باتری‌های جریان ابزار‌های ایده‌آلی برای ذخیره انرژی خورشید و باد به شمار می‌آیند، زیرا می‌توانند میزان انرژی ذخیره شده را بدون اینکه میزان انرژی تولید شده کم و زیاد شود، افزایش دهند. مخزن‌ها هر چقدر بزرگ‌تر باشند، باتری‌ها انرژی بیشتری را از منابع غیرآلاینده و تقریبا غیر قابل تخریب ذخیره می‌کنند. اما ساختن این باتری‌ها نیاز به چندین سخت‌افزار متحرک دارد. از آنجا که غشای بین دو ماده روان به مرور زمان فاسد می‌شود و از بین می‌رود، باعث می‌شود یون‌های وانادیوم با هم مخلوط شوند و این امر باعث کاهش پایداری باتری می‌شود و همچنین ظرفیت ذخیره‌سازی آن را کاهش می‌دهد.

محققان توضیح می‌دهند که راندمان محدود این غشاء، همراه با هزینه بالای آن، اصلی‌ترین عامل برای عدم استفاده گسترده از باتری‌های جریان در شبکه‌های بزرگ محسوب می‌شود. از این رو آن‌ها از غشای جدیدی استفاده کردند که از نانوکریستال‌های سلولزی ساخته شده است و کارآیی بهتری را در مقایسه با غشا‌های معمولی نشان می‌دهد. این تیم تحقیقاتی، غشا‌های مختلفی را از نانوکریستال‌های سلولزی ساختند و تک تک آن‌ها را آزمایش کردند تا دریابند با کدام یک می‌توانند باتری‌های جریان ارزان‌تر و کارآمدتری بسازند. آن‌ها دریافتند که غشای جدیدشان مدت زمان بیشتری نسبت به غشا‌های معمولی عمر دارند.

محققان ادعا می‌کنند که این غشای طبیعی سلولزی بسیار کارآمد است، زیرا ساختار سلولی آن حاوی هزاران گروه هیدروکسیل است که انتقال آب در گیاهان و درختان را آسان‌تر می‌کند. به گفته محققان، از آنجا که این مواد عملا در همه جا وجود دارد، غشا‌های ساخته شده با آن را می‌توان به راحتی در مقیاس‌های بزرگ کنار هم چید تا در شبکه‌های برق پیچیده از آن استفاده کرد. برخلاف سایر مواد مصنوعی گران قیمت که نیاز به ساخته شدن در آزمایشگاه دارند، سلولز را می‌توان از منابع طبیعی از جمله جلبک، زباله جامد و باکتری‌ها استخراج کرد.

آن‌ها امیدوارند که در آینده از زباله‌های داخل خانه‌ها این غشا‌های مورد نیاز در باتری‌های جریان را ساخت.