پژوهشگران، گروه خاصی از مواد کشف شده اند که برای ساخت باتری های پرقدرتتر به کار می آیند. پژوهشگران دانشگاه انگلیس از نوعی ماده با ساختار پیچیده استفاده کرده و متوجه شدند که یونهای لیتیوم می توانند با سرعت بسیار بیشتری از الکترودهای معمولی درون آنها حرکت کنند و این به معنای سریع شارژ باتری است. نام این نوع از مواد، نیوبیوم تنگستن اکسید است و با وجود اینکه چرخهای استفاده شده سبب ایجاد انرژی بیشتر نمی شوند، برای شارژ سریعتر استفاده می شود. علاوه بر این، ساختار فیزیکی و رفتار شیمیایی آنها، مناسب برای ساخت یک باتری ایمن و سریع شارژ شونده به پژوهشگران خواهدداد. با کشف این مواد، این احتمال وجود دارد که در نسل بعدی باتری ها از مواد قدیمی استفاده نشود. نتایج این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است. اکثر تکنولوژی های مورد استفاده ما هر سال کوچکتر، سریع تر و ارزان تر می شوند، اما باتری ها به طور کاملا قابل توجهی از این قاعده پیروی نمی کنند. جدا از امکان ساخت گوشی های هوشمند که در چند دقیقه شارژ می شوند، مشکلات ساخت باتری های بهتر به دو تکنولوژی پاک گسترده می آید: ماشین های الکتریکی و شبکه های انرژی خورشیدی. دکتر کت گریفیث، پژوهشگر پیشتکری موسسه شیمی دانشگاه کامبوج و نویسنده اول مقاله گفت: ما همیشه به دنبال موادی بودیم که باعث افزایش نرخ بهره و افزایش میزان مصرف و بالا بودن آن می شوند. باتری ها در ساده ترین شکل خود از سه بخش تشکیل می شوند: مثبت الکترود، الکترود منفی و الکترولیت. زمانی که یک باتری در حال شارژ است، یونهای لیتیوم از الکترودهای مثبت جدا شده و از داخل ماده الکترولیت، حرکت به سمت الکترودهای نوری و جذب شده توسط آن. هرچند این فرایند سریعتر اتفاق می افتد، سرعت شارژ باتری نیز بیشتر می شود. پژوهشگران برای انتخاب ماده به عنوان الکترود، اغلب بهدنبال کوچکتر شدن اندازه ذرات هستند. گریفیث گفت: ایده این است که اگر ما بتوانیم مسیر یونهای لیتیوم را کوتاهتر کنیم، نرخ بهره بیشتر خواهد بود. اما ساخت یک باتری مناسب با استفاده از ذرات نانو مشکل است: واکنش های شیمیایی ناخواسته در الکترولیت زیاد اتفاق می افتد، بنابراین عمر باتری کوتاه خواهد بود. به علاوه هزینه ساخت آن نیز زیاد خواهد بود. پروفسور کلر گری همچنین از موسسه شیمی و سرپرست نویسندگان مقاله گفت: ساخت پوسته نانو بسیار دشوار است. به همین دلیل ما بهدنبال ذراتی هستیم که ویژگیهای مورد نظر را بهصورت ذاتی داشتهباشند.به این معنی که لازم نیست برای ساخت آنها وارد یک فرآیند پیچیده شویم و این باعث کاهش هزینهها نیز میشود. کار عملی با ذرات نانو بسیار مشکل است؛ چرا که این ذرات پرز مانند هستند و جمع کردن آنها در کنار یکدیگر که اصلی کار در ساخت حجمی از چگالی انرژی است، کار دشواری است. نیوبیوم تنگستن اکسید مورد استفاده در این فرآیند دارای ساختار سخت و باز است که لیتیم تزریقشده را به دام می اندازد و اندزه ی ذرات آن نسبت به مواد تشکیل دهنده دیگر الکترودها بزرگتر است. حدس و گمان گریفیث بر این است که این مواد به علت پیچیدگی اتمی خود، تا کنون مورد توجه قرار نگرفتند. با این حال او معتقد است که این دلیل انتقال انتقال درونی خوب، همان پیچیده ساختار و ترکیب مخلوط فلزی آن است. گریفیث گفت: بیشتر مواد باتری ها به دو یا سه ساختار بلوری یکسان وابسته هستند، اما نوبیوم تنگستن اکسید ظاهرا متفاوت است. اکسید ها با پایه ی اسیژن نگهداری می شود که به یون های لیتیوم اجازه می دهد تا از آنها در سه بعد عبور دهد. پایه های اسیژن یا صفحات شیاردار، این مواد را سخت تر از سایر مواد سازندهی باتری. بر طبق این ویژگی به علاوه ساختار باز آنها، یونهای لیتیوم بیشتر و سریعتر می توانند از آن عبور کنند. محققان توانستند با استفاده از تکنیک بهنام طیفسنجی گرادیان میدان مغناطیسی (PFG) پالسی (PFG) که بر روی الکترودهای قابل انعطاف قرار نگرفته باشد، حرکت حرکت یونهای لیتیوم داخل اکسید را اندازه گیری کند و متوجه شد که میزان حرکت یون ها بسیار بیشتر از الکترودهای الکتریکی معمولی است در بیشتر باتری های لیتیومی، الکترود منفی از گرافیت ساخته شده است که دارای چگالی انرژی بالا؛ اما زمانی که با بالا بودن هزینه شارژ می شود، رشته های لیتیوم معروف به دندریت تشکیل می شوند. در این صورت جریان کوچکی تشکیل می شود که می تواند موجب انفجار باتری و آتش زدن آن شود. گری گفت: در عملیات با نرخ بالا، بزرگترین نگرانی در مورد ایمنی سیستم است. مسلما این مواد برای شارژ سریع استفاده می شود و انتخاب مناسب هستند، اما برای داشتن یک سیستم ایمنی، باید جایگزینی برای گرافیت پیدا شود. از مزایای دیگر نایوبیوم تنگستن اکسید، علاوه بر میزان بالای لیتیوم، آسان ساختن آن است. گریفیث گفت: ساخت بیشتر ساختارهای ذرات نانو بسیار مشکل است و در نهایت مقدار کمی از ماده ایجاد می شود؛ بنابراین در مقایسه با مقایسه، این یک مشکل واقعی است. اما ساخت این اکسیدها بسیار ساده و به مواد شیمیایی اضافه و کمکی نیازی نیست. با این که لیتیوم عبور از اکسیدها بسیار بیشتر از مواد دیگر است، آنها ولتاژ سلول نسبت به مواد دیگر بسیار کمتر است. با این حال این ولتاژ برای ایمنی سیستم مناسب است و نرخ بالای لیتیوم گذار به این معنی است که همزمان با چرخش سریع سیستم دور، انرژی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. گری گفت: در حالی که اکسیدها فقط برای استفاده خاصی استفاده می شوند، باید به جستجوی مواد جدید ادامه داد. اگر بهدنبال مواد جدید نباشیم، این صنعت راکد خواهد ماند. این مواد بسیار جالب توجه به ما نشان می دهد که چگونه می توانیم الکترودهایی با نرخ عبور بیشتر طراحی کنیم.