بزرگنمايي:

سیاست و بازاریابی - ایسنا / پژوهشگران دانشگاه تهران در مطالعه‌ای تازه، یکی از سازوکارهای پرکاربرد برای توضیح عملکرد باتری‌های آبی روی-دی‌اکسید منگنز را به چالش کشیده‌اند.
سال‌ها تصور می‌شد یون‌های + Zn2 هنگام شارژ و تخلیه این باتری‌ها به ساختار کاتد وارد و از آن خارج می‌شوند و همین فرآیند، نقش مهمی در ذخیره و آزادسازی انرژی دارد. اما پژوهش جدید با استفاده از یک روش آزمایشی ساده، امکان نزدیک‌شدن یون‌های + Zn2 به کاتد را محدود کرد و سپس عملکرد باتری را با شرایط معمول مقایسه کرد. نتیجه غیرمنتظره بود: حتی در شرایطی که ورود یون روی به نزدیکی کاتد عملاً مسدود شده بود، ظرفیت باتری کمتر از 10 درصد با حالت عادی تفاوت داشت. این یافته نشان می‌دهد که نقش میان‌نشانی Zn2+ در ساختار کاتد احتمالاً بسیار کمتر از آن چیزی است که در بسیاری از مطالعات پیشین تصور می‌شد و باید سازوکارهای دیگری را برای توضیح عملکرد این باتری‌ها جدی‌تر بررسی کرد.
باتری‌های آبی روی-دی‌اکسید منگنز یا Zn–MnO2 یکی از گزینه‌هایی هستند که در سال‌های اخیر دوباره مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته‌اند. استفاده از مواد نسبتاً فراوان و کم‌هزینه، ایمنی بالا، سازگاری بیشتر با محیط زیست و امکان استفاده از الکترولیت‌های آبی، از جمله ویژگی‌هایی است که این خانواده از باتری‌ها را برای کاربردهای ذخیره انرژی جذاب کرده است. این مزایا به‌ویژه در حوزه‌هایی مانند ذخیره‌سازی ایستا و نسل جدید تجهیزات الکترونیکی انعطاف‌پذیر و پوشیدنی اهمیت پیدا می‌کنند.
با این حال، مسیر تبدیل این فناوری به یک گزینه تجاری با موانعی روبه‌رو است. یکی از مهم‌ترین این موانع، نبود توافق کامل درباره سازوکار واقعی واکنش‌های الکتروشیمیایی در این باتری‌هاست. درک دقیق این سازوکار می‌تواند مشخص کند که برای افزایش ظرفیت، پایداری و قابلیت شارژپذیری باتری باید دقیقاً کدام بخش از سامانه اصلاح شود.
در مطالعه‌ای جدید، پژوهشگران دانشگاه تهران به سراغ یکی از بحث‌برانگیزترین پرسش‌ها درباره باتری‌های آبی روی-دی‌اکسید منگنز رفته‌اند: آیا یون + Zn2 واقعاً در هنگام کار باتری وارد ساختار کاتد می‌شود و نقش اصلی را در فرآیند ذخیره انرژی ایفا می‌کند؟
یکی از سازوکارهای پذیرفته‌شده برای توضیح عملکرد این باتری‌ها، «میان‌نشانی و خروج یون + Zn2 » از ساختار کاتد است. بر اساس این دیدگاه، یون‌های روی در هنگام تخلیه باتری وارد ساختار ماده کاتدی می‌شوند و در فرآیند شارژ از آن خارج می‌شوند. این فرض طی سال‌های گذشته تأثیر قابل‌توجهی بر مسیر تحقیقات داشته و بسیاری از مطالعات برای افزایش عملکرد باتری، بر اساس همین مدل بهینه‌سازی شده‌اند.
اما این سازوکار همواره مورد اختلاف بوده است. برخی مطالعات با استفاده از روش‌هایی مانند پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) و میکروترازوی کریستال کوارتز الکتروشیمیایی (EQCM) شواهدی در حمایت از میان‌نشانی Zn2+ ارائه کرده‌اند، در حالی که مطالعات دیگر نتایج متفاوتی به دست آورده‌اند. مشکل اصلی این است که طرفداران و مخالفان این نظریه در بسیاری موارد از تکنیک‌های مشابهی استفاده کرده‌اند، اما از داده‌ها به نتایج متفاوتی رسیده‌اند.
پژوهشگران دانشگاه تهران برای عبور از این اختلاف، به‌جای تکیه صرف بر روش‌های متداول شناسایی، یک آزمایش کنترل‌شده طراحی کردند که در آن می‌توانستند حضور + Zn2 در نزدیکی کاتد را مستقیماً محدود کنند. ایده اصلی بسیار ساده است: اگر Zn2+ واقعاً برای عملکرد باتری و ورود به ساختار کاتد ضروری باشد، حذف آن از محیط اطراف کاتد باید کاهش چشمگیری در ظرفیت باتری ایجاد کند.
برای اجرای این ایده از یک غشای تبادل آنیونی استفاده شد. این غشا به‌گونه‌ای عمل می‌کند که عبور یون‌های موردنظر را محدود کرده و در نتیجه می‌تواند مانع رسیدن Zn2+ به ناحیه نزدیک کاتد شود. با این روش، پژوهشگران شرایطی ایجاد کردند که در آن میان‌نشانی Zn2+ در کاتد عملاً امکان‌پذیر نبود و سپس عملکرد باتری را با شرایطی که یون روی آزادانه در دسترس بود مقایسه کردند.
نتایج، فرضیه اولیه را به‌شدت به چالش کشید. هنگامی که ورود Zn2+ به ناحیه کاتد محدود شد، ظرفیت باتری در مقایسه با شرایطی که میان‌نشانی یون روی امکان‌پذیر بود، تنها کمتر از 10 درصد تفاوت داشت. به بیان ساده‌تر، باتری توانست بخش عمده‌ای از ظرفیت خود را حتی در شرایطی حفظ کند که یون Zn2+ از نزدیکی کاتد حذف شده بود.
این نتیجه یک پیام مهم دارد: اگر ورود Zn2+ به ساختار کاتد سازوکار اصلی ذخیره انرژی باشد، انتظار می‌رود جلوگیری از حضور این یون تأثیر بسیار بیشتری بر ظرفیت داشته باشد. بنابراین، یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که میان‌نشانی Zn2+ در ساختار کاتد احتمالاً نقشی بسیار محدود، ناچیز یا دست‌کم غیرضروری برای توضیح عملکرد اصلی این باتری‌ها دارد.
پژوهشگران همچنین این موضوع را در الکترولیت‌های مبتنی بر سولفات بررسی کردند. در این آزمایش، نمونه‌های کنترل‌شده با جداسازی نواحی مختلف و نمونه‌های مخلوط با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج نشان داد که واکنش‌های باتری حتی در شرایطی که Zn2+ در مجاورت کاتد حضور نداشت، همچنان ادامه پیدا می‌کنند.
اختلاف کمتر از 10 درصدی مشاهده‌شده نیز الزاماً به میان‌نشانی Zn2+ نسبت داده نشد. پژوهشگران احتمال می‌دهند این اختلاف بیشتر ناشی از تغییرات pH و تفاوت در محصولات جانبی تشکیل‌شده در شرایط مختلف باشد. بنابراین، صرف مشاهده تفاوتی محدود در ظرفیت نمی‌تواند به‌عنوان شاهدی برای ورود قابل‌توجه یون Zn2+ به ساختار کاتد در نظر گرفته شود.
پژوهش در ادامه با استفاده از الکترولیت‌های مبتنی بر استات نیز تکرار شد. در این شرایط، اختلاف عملکرد میان سامانه‌هایی که Zn2+ در نزدیکی کاتد حضور داشت و سامانه‌هایی که این یون از آن ناحیه حذف شده بود، حتی کمتر شد. این اثر به‌ویژه در غلظت‌های بالاتر نمک برجسته‌تر بود و شواهد بیشتری در اختیار پژوهشگران قرار داد که حضور Zn2+ در نزدیکی کاتد نقش تعیین‌کننده‌ای در ظرفیت باتری ندارد.
یکی از نتایج مهم دیگر مطالعه، تأیید نقش انحلال الکتروشیمیایی MnO2 هنگام تخلیه و رسوب مجدد آن هنگام شارژ است. بر اساس این تصویر، دی‌اکسید منگنز در طول تخلیه دچار فرآیند انحلال می‌شود و در فرآیند شارژ دوباره روی الکترود رسوب می‌کند. این مدل می‌تواند توضیح متفاوتی برای عملکرد باتری ارائه دهد و نشان می‌دهد که واکنش‌های این سامانه الزاماً به ورود و خروج مستقیم Zn2+ از شبکه جامد کاتد وابسته نیستند.
البته این به آن معنا نیست که سازوکار واکنش کاملاً ساده شده است. برعکس، پژوهشگران تأکید دارند که فرآیند شارژ و تخلیه می‌تواند شامل چندین مرحله و واکنش جانبی باشد. برای مثال، احتمال میان‌نشانی H+ یا یون هیدروژن نیز مطرح است و بررسی دقیق نقش این یون به مطالعات بیشتری نیاز دارد.
اهمیت این پژوهش در همین نکته نهفته است که به‌جای تلاش برای تأیید یک نظریه موجود، یک روش تجربی نسبتاً ساده برای آزمودن مستقیم ضرورت آن ارائه شده است. وقتی امکان حضور یک گونه یونی در یک بخش از باتری عمداً محدود می‌شود و عملکرد کلی باتری همچنان تا حد زیادی حفظ می‌شود، می‌توان با اطمینان بیشتری درباره میزان اهمیت آن گونه در سازوکار واکنش بحث کرد.
بخش قابل‌توجهی از اهمیت این نتیجه به آینده توسعه باتری‌های آبی روی-منگنز مربوط می‌شود. اگر پژوهشگران برای سال‌ها بر این فرض کار کنند که Zn2+ باید حتماً وارد ساختار کاتد شود، ممکن است بخش قابل‌توجهی از تلاش‌های طراحی و بهینه‌سازی مواد را در مسیری قرار دهند که لزوماً به افزایش واقعی عملکرد منجر نمی‌شود. روشن‌شدن سازوکار واکنش می‌تواند مسیر تحقیق را از بهینه‌سازی یک فرض نادرست به سمت کنترل فرآیندهای واقعاً تعیین‌کننده هدایت کند.
این موضوع برای کاربردهای آینده نیز اهمیت دارد. باتری‌های آبی روی-منگنز به دلیل استفاده از الکترولیت‌های آبی، مواد نسبتاً ارزان و فراوان و سطح ایمنی مطلوب، ظرفیت بالقوه‌ای برای کاربرد در سامانه‌های ذخیره انرژی دارند. با این حال، برای رسیدن از یک فناوری آزمایشگاهی به یک محصول تجاری، تنها افزایش ظرفیت کافی نیست و عواملی مانند چرخه‌پذیری، پایداری، هزینه، قابلیت تولید انبوه و رفتار باتری در شرایط واقعی نیز باید حل شوند.
نتایج مطالعه دانشگاه تهران می‌تواند دست‌کم یکی از مسائل بنیادی این مسیر را هدف قرار دهد: شناخت سازوکار واقعی ذخیره و آزادسازی انرژی. رد یا تضعیف نقش میان‌نشانی Zn2+ به این معنا نیست که همه پرسش‌ها پاسخ داده شده‌اند، بلکه برعکس، مسیرهای جدیدی برای تحقیق باز می‌کند. اکنون بررسی نقش انحلال و رسوب مجدد MnO2، مشارکت H+، واکنش‌های جانبی و تغییرات ساختاری کاتد می‌تواند با اهمیت بیشتری دنبال شود.
در نهایت، این مطالعه با ارائه شواهد تجربی نشان می‌دهد که میان‌نشانی Zn2+ در ساختار کاتد باتری‌های آبی روی-دی‌اکسید منگنز احتمالاً نقشی ناچیز یا غیرضروری دارد؛ نتیجه‌ای که فارغ از تأیید یا رد کامل یک نظریه، می‌تواند به بازنگری در مدل‌های موجود کمک کند. پژوهشگران معتقدند کنار هم قرارگرفتن نظریه‌های مختلف درباره واکنش‌های این باتری‌ها ضروری است، زیرا ادامه اختلاف میان مدل‌های رقیب می‌تواند موجب اتلاف زمان و هزینه پژوهشی و در نهایت کندشدن مسیر تجاری‌سازی این فناوری شود.
از این منظر، ارزش اصلی پژوهش حاضر تنها در یک عدد یا یک رکورد عملکردی خلاصه نمی‌شود. این مطالعه تلاش کرده است یک پرسش بنیادی را با آزمایشی نسبتاً ساده و قابل‌اتکا محک بزند: اگر Zn2+ را از کاتد دور کنیم، آیا باتری همچنان کار می‌کند؟ پاسخ به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که بله، بخش عمده عملکرد باتری می‌تواند بدون حضور Zn2+ در نزدیکی کاتد حفظ شود. همین نتیجه می‌تواند پژوهشگران را به سمت سازوکارهای جایگزین هدایت کند و در نهایت به شکل‌گیری درک منسجم‌تری از عملکرد باتری‌های آبی روی-منگنز کمک کند.
به گزارش روابط عمومی ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Novel insights into aqueous Zn–MnO2 batteries: a simple and robust approach to refute the Zn2+ intercalation mechanism به چاپ رسیده است.