پژوهشگران ایتالیایی غشای پلیمری جدیدی ساخته‌اند که امکان حرکت یون‌های فلوئورید را درون الکترولیت باتری در دمای اتاق فراهم می‌کند. این دستاورد یکی از موانع اصلی بر سر راه توسعه نسل آینده باتری‌های یون فلوئورید را برطرف می‌سازد. این غشای ژلی شبه‌جامد را تیمی در دانشگاه «پلی‌تکنیک میلان» ساخته‌اند. فناوری یادشده به عنوان غشای تبادل
پژوهشگران ایتالیایی غشای پلیمری جدیدی ساخته‌اند که امکان حرکت یون‌های فلوئورید را درون الکترولیت باتری در دمای اتاق فراهم می‌کند. این دستاورد یکی از موانع اصلی بر سر راه توسعه نسل آینده باتری‌های یون فلوئورید را برطرف می‌سازد.
این غشای ژلی شبه‌جامد را تیمی در دانشگاه «پلی‌تکنیک میلان» ساخته‌اند. فناوری یادشده به عنوان غشای تبادل فلوئورید (FEM) عمل کرده و وظیفه انتقال یون‌های فلوئورید را میان الکترودهای باتری بر عهده دارد. پژوهشگران می‌گویند این رویکرد می‌تواند به پیشرفت ساختار شیمیایی جایگزینی برای باتری‌ها کمک کند که هیچ وابستگی به لیتیوم ندارد.
باتری‌های یون فلوئورید به دلیل فراوانی این عنصر و همچنین پتانسیل ساختار شیمیایی مبتنی بر تبدیل آن‌ها برای ارائه چگالی انرژی بالا، توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. با وجود این، ساخت الکترولیت‌هایی با قابلیت انتقال بهینه یون‌های فلوئورید در دمای اتاق همچنان چالش بزرگی به شمار می‌رود.
این مطالعه الکترولیت پلیمری جدیدی را معرفی می‌کند که بر پایه یونومر «پرفلوروسولفونیک آمید» ساخته شده و حاوی گروه‌های تتراآلکیل‌آمونیوم فلوئورید است.
امکان انتقال یون با غشای جدید
پژوهشگران برای بهبود حرکت یون‌های فلوئورید، غشای پلیمری را با استفاده از ترکیب دو حلال ۱،۳-دی‌اکسولان (DOL) و دی‌متیل سولفوکسید (DMSO) اصلاح کردند. این ترکیب حلّال باعث تورم یونومر می‌شود و شرایط لازم را برای حرکت یون‌های فلوئورید در این ماده شبه‌جامد فراهم می‌کند.
اندازه‌گیری‌های انجام‌شده با روش طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که این غشا در دمای اتاق به رسانایی یونی معادل ۱.۳ میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر دست یافته است.
تیم تحقیقاتی در ادامه از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی برای بررسی تأثیر ساختار غشا و ترکیب حلال بر حرکت یون فلوئورید استفاده کرد. نتایج این شبیه‌سازی‌ها مشخص کرد که DMSO نقش مهمی به عنوان یک عامل متورم‌کننده قطبی بر عهده دارد.
پژوهشگران سپس این الکترولیت را درون سلول‌های سکه‌ای آزمایشی با الکترودهای سربی و فلوئورید سرب آزمایش کردند. این سلول‌ها واکنش‌های برگشت‌پذیر فلوئوردار شدن و فلوئورزدایی را با موفقیت نشان دادند؛ فرآیندهایی که در جریان شارژ و تخلیه باتری، یون‌های فلوئورید را به مواد الکترود وارد یا از آن‌ها خارج می‌کنند.
این آزمایش‌ها نشان‌دهنده پایداری باتری در بیش از ۵۰ چرخه شارژ و تخلیه در دمای اتاق و با چگالی جریان 0.1C بود.
باتری‌های بدون لیتیوم همچنان دور از دسترس
پژوهشگران این دستاورد را نخستین غشای تبادل فلوئورید طراحی‌شده برای این نوع باتری‌ها می‌دانند که با الهام از مفاهیم تثبیت‌شده غشاهای تبادل پروتون و تبادل آنیون ساخته شده است.
بر اساس اعلام دانشگاه، این غشای شبه‌جامد غیرقابل‌اشتعال است و احتمالاً می‌تواند مزیت ایمنی قابل‌توجهی برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی به همراه داشته باشد. با این وجود، آزمایش‌های سلول سکه‌ای انجام‌شده در این تحقیق هنوز نتوانسته‌اند ایمنی در برابر آتش‌سوزی یا عملکرد تجاری یک سیستم کامل باتری را به اثبات برسانند.
باتری‌های یون فلوئورید در نهایت می‌توانند در حوزه‌هایی مانند ذخیره‌سازی ثابت انرژی، خودروهای الکتریکی و صنعت هوانوردی کاربرد پیدا کنند. همچنین چگالی انرژی نظری این باتری‌ها می‌تواند از فناوری‌های رایج یون لیتیوم فراتر برود.
تیم تحقیقاتی در این گزارش به چگالی انرژی بالقوه حدود ۶۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم اشاره کرده است؛ در حالی که این رقم برای باتری‌های استاندارد یون لیتیوم معمولاً در محدوده ۱۵۰ تا ۲۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم قرار دارد. البته این اعداد صرفاً نشان‌دهنده پتانسیل تئوری فناوری جدید هستند و عملکرد واقعی سلول‌های آزمایشی را نشان نمی‌دهند.
هماهنگی این پروژه بر عهده «مائوریتزیو سانسوترا» بود. بخش تعیین مشخصات الکتروشیمیایی را «لوکا ماگانین» رهبری کرد و «جوزپینا رافائینی» نیز در بخش تحقیقات دینامیک مولکولی مشارکت داشت. همچنین «فدریکو ماریا شسا» نویسنده اصلی این مقاله پژوهشی بود.
باتری‌های یون فلوئورید با وجود تمام این پیشرفت‌ها همچنان یک فناوری نوظهور محسوب می‌شوند. پژوهشگران باید پیش از ورود این ساختار شیمیایی به رقابت با سیستم‌های تثبیت‌شده یون لیتیوم، بخش‌های مختلفی مانند مواد الکترود، پایداری باتری، طول عمر چرخه و عملکرد کلی آن را بهبود ببخشند.
این غشای جدید مسیر ممکنی را برای انتقال یون فلوئورید در دمای اتاق فراهم می‌کند و پژوهشگران را یک قدم به ساخت باتری‌های کاربردی با حامل‌های بار متفاوت نزدیک‌تر می‌سازد.