باتریهای حرارتی از جمله سامانههای ذخیرهسازی انرژی هستند که برای کار در محیطهای بسیار سخت و دماهای بالا طراحی شدهاند. این باتریها به دلیل قابلیت اطمینان بالا، توان خروجی قابل توجه و امکان نگهداری طولانیمدت، در کاربردهایی مانند سامانههای نظامی، صنایع هوافضا، تجهیزات حفاری عمیق و منابع تغذیه اضطراری مورد استفاده قرار میگیرند.
برخلاف بسیاری از فناوریهای ذخیرهسازی انرژی، باتریهای حرارتی تا زمان فعال شدن توسط یک منبع گرما در حالت غیرفعال باقی میمانند. پس از فعالسازی، الکترولیت نمک مذاب داخل باتری رسانا شده و امکان تولید انرژی الکتریکی فراهم میشود.
چالش بزرگ باتریهای حرارتی؛ اثر شاتل
با وجود مزایای متعدد، یکی از مهمترین موانع توسعه باتریهای حرارتی پدیدهای به نام «اثر شاتل» (Shuttle Effect) است.
در این فرآیند، بخشی از مواد فعال موجود در کاتد در الکترولیت نمک مذاب حل شده و میان الکترودها جابهجا میشوند. این جابهجایی ناخواسته باعث کاهش تدریجی مواد فعال، افت ظرفیت ذخیرهسازی انرژی و کاهش بازده کلی باتری میشود. اثر شاتل سالهاست که به عنوان یکی از عوامل اصلی محدودکننده عملکرد و عمر مفید باتریهای حرارتی شناخته میشود و پژوهشگران روشهای مختلفی را برای کاهش آن بررسی کردهاند.
رویکرد جدید پژوهشگران چینی
گروهی از محققان مؤسسه مهندسی فرایند آکادمی علوم چین به سرپرستی پروفسور وانگ سونگ و ژو یونگپینگ، رویکرد جدیدی برای مقابله با این مشکل ارائه کردهاند. پژوهش آنها بر توسعه یک ماده کاتدی جدید متمرکز است که میتواند ضمن افزایش چگالی انرژی باتری، از اتلاف مواد فعال ناشی از اثر شاتل نیز جلوگیری کند.
هدف اصلی این تحقیق، طراحی ساختاری است که مسیر حرکت یونها را کنترل کرده و در عین حال از انتقال مواد مسئول ایجاد اثر شاتل جلوگیری کند.
نقش چارچوبهای آلی کووالانسی (COF)
هسته اصلی این فناوری بر پایه موادی موسوم به «چارچوبهای آلی کووالانسی» یا COF (Covalent Organic Frameworks) شکل گرفته است.
این مواد دارای ساختاری متخلخل و بلوری هستند که امکان طراحی دقیق مسیرهای انتقال یون را فراهم میکنند. پژوهشگران از این ویژگی برای ایجاد نوعی ساختار انتخابی استفاده کردهاند که عبور یونهای مورد نیاز برای عملکرد باتری را امکانپذیر میکند، اما از حرکت مواد عامل اثر شاتل جلوگیری میکند. به گفته تیم تحقیقاتی، این ساختار میتواند میزان از دست رفتن مواد فعال را کاهش داده و پایداری عملکرد باتری را در طول زمان بهبود بخشد.
افزایش چگالی انرژی و پایداری عملکرد
یکی از اهداف مهم در توسعه نسل جدید باتریهای حرارتی، افزایش چگالی انرژی است. هرچه چگالی انرژی بیشتر باشد، باتری میتواند انرژی بیشتری را در حجم و وزن یکسان ذخیره کند.
پژوهشگران معتقدند استفاده از ماده کاتدی جدید میتواند زمینه توسعه باتریهای حرارتی با چگالی انرژی بالاتر را فراهم کند. همچنین کاهش اثر شاتل میتواند باعث افزایش طول عمر و حفظ عملکرد باتری در دورههای طولانیتر شود. این ویژگیها بهویژه برای کاربردهای حساس که نیازمند عملکرد پایدار و مطمئن هستند اهمیت زیادی دارد.
اهمیت این فناوری برای صنایع راهبردی
باتریهای حرارتی در حال حاضر در طیف وسیعی از تجهیزات راهبردی مورد استفاده قرار میگیرند. سامانههای موشکی، تجهیزات دفاعی، برخی فضاپیماها، تجهیزات حفاری در اعماق زمین و منابع تغذیه اضطراری از جمله مهمترین حوزههای کاربرد این فناوری هستند.
یکی از دلایل اصلی استفاده از باتریهای حرارتی در این بخشها، قابلیت ذخیرهسازی طولانیمدت بدون افت عملکرد و توانایی تأمین انرژی در لحظه نیاز است.
به همین دلیل، هر پیشرفتی که بتواند چگالی انرژی، قابلیت اطمینان و طول عمر این باتریها را افزایش دهد، میتواند تأثیر قابل توجهی بر نسل آینده سامانههای انرژی ویژه داشته باشد.
پژوهش جدید محققان آکادمی علوم چین نشان میدهد که استفاده از چارچوبهای آلی کووالانسی (COF) میتواند مسیر تازهای برای حل یکی از مهمترین چالشهای باتریهای حرارتی باز کند.
اگرچه این فناوری هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان میدهد که کنترل اثر شاتل و بهبود ساختار کاتد میتواند به توسعه باتریهای حرارتی با چگالی انرژی بیشتر، پایداری بالاتر و عمر مفید طولانیتر منجر شود؛ ویژگیهایی که برای کاربردهای نظامی، هوافضا و سامانههای اضطراری اهمیت راهبردی دارند.
منابع: