باتری های لیتیوم بیش از 50 درصد از کل کبالت تولید شده در جهان استفاده می کنند. این باتری ها در تلفن همراه ، لپ تاپ و حتی شاید ماشین شما هستند. در حدود 50 درصد كبالت جهان از كنگو ، جایی كه عمدتاً با دستی مین گذاری می شود ، در بعضی موارد توسط كودكان حاصل می شود. اما اکنون ، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی ، در استفاده از سایر فلزات را در باتری های مبتنی بر لیتیوم گشوده است ، و از این طریق کاتدی هایی با 50 درصد ظرفیت ذخیره سازی لیتیوم نسبت به مواد معمولی ساخته اند.

Gerbrand Ceder ، استاد ارشد گروه علوم و مهندسی مواد در برکلی ، گفت: "ما فضای شیمیایی جدیدی را برای فناوری باتری باز کرده ایم." "برای اولین بار ما یک عنصر بسیار ارزان قیمت داریم که می تواند تبادل الکترون زیادی را در باتری ها انجام دهد."

این مطالعه در نسخه 12 ژانویه ژورنال Nature منتشر خواهد شد. این کار همکاری بین دانشمندان UC Berkeley ، Berkey Lab ، آزمایشگاه ملی آرگون ، MIT و UC سانتا کروز بود.

در باتری های لیتیوم امروزی ، یون های لیتیوم در کاتد ها (الکترود با بار منفی) ذخیره می شوند ، که ساختارهای لایه ای هستند. کبالت برای حفظ این ساختار لایه لایه بسیار مهم است. هنگامی که یک باتری شارژ می شود ، یون های لیتیوم از کاتد به طرف دیگر سلول باتری یعنی آند کشیده می شوند. عدم وجود لیتیوم در کاتد فضای زیادی را به وجود می آورد. بیشتر یونهای فلزی در آن فضا جمع می شوند و این باعث می شود کاتد ساختار خود را از دست بدهد. اما کبالت یکی از معدود عناصری است که به حرکت در نمی آید و این امر را برای صنعت باتری بسیار مهم می کند.

در سال 2014 ، آزمایشگاه سدر روشی را کشف کرد که کاتدها می توانند بدون این لایه ها چگالی انرژی بالایی را حفظ کنند ، مفهومی به نام نمک های سنگ بی نظم. مطالعه جدید نشان می دهد که منگنز چگونه می تواند در این مفهوم کار کند ، که یک قدم امیدوار کننده به دور از وابستگی کبالت است زیرا منگنز در خاک یافت می شود ، و آن را به یک عنصر ارزان تبدیل می کند.

سرو گفت: "برای مقابله با مسئله منابع کبالت ، باید از این لایه برداری در کاتدها فاصله بگیرید." "بی نظمی کردن کاتدها به ما این امکان را داده است که با جدول تناوبی بیشتر بازی کنیم."

در مطالعه جدید ، آزمایشگاه سرو نشان می دهد که چگونه می توان از فن آوری های جدید برای دستیابی به ظرفیت زیادی از یک کاتد استفاده کرد. دانشمندان با استفاده از فرآیندی به نام دوپینگ فلوئور مقدار زیادی منگنز را در کاتد گنجانیدند. داشتن یون های منگنز بیشتر با شارژ مناسب ، به کاتد ها اجازه می دهد یون های لیتیوم بیشتری را نگه دارند ، بنابراین ظرفیت باتری را افزایش می دهد.

گروه های تحقیقاتی دیگر سعی کرده اند که کاتد های دوپ فلوئورین را تأمین کنند ، اما موفقیت آمیز نبوده اند. سرو می گوید کار آزمایشگاه وی روی ساختارهای بی نظم کلید بزرگی برای موفقیت آنها بود.

عملکرد کاتدی در انرژی در هر واحد وزن اندازه گیری می شود ، به آن وات ساعت در هر کیلوگرم گفته می شود. کاتدهای منگنز بی نظم به 1000 وات ساعت در هر کیلوگرم نزدیک می شدند. کاتدهای معمولی لیتیوم یونی در دامنه 500-700 وات ساعت در هر کیلوگرم است.

جینیاوک لی ، نویسنده اصلی رهبر ، که در طول مطالعه ، یکی از همکاران فوق لیسانس در آزمایشگاه سرو بود ، گفت: "در دنیای باتری ها ، این یک پیشرفت بزرگ است."

برای اینکه ببیند آیا می توان از آن در برنامه هایی مانند لپ تاپ یا وسایل نقلیه برقی استفاده کرد ، این فناوری نیاز به اندازه گیری و آزمایش بیشتری دارد. اما سدر می گوید که آیا این فناوری در واقع آن را درون باتری قرار می دهد یا نه؟ محققان امکانات جدیدی را برای طراحی کاتدها باز کرده اند که از اهمیت بیشتری برخوردار است.

سرو گفت: "اکنون تقریبا می توانید از عناصر موجود در جدول تناوبی استفاده کنید زیرا نشان داده ایم که کاتدها لایه لایه نمی شوند." "ناگهان آزادی شیمیایی بسیار بیشتری داریم و فکر می کنم اینجا هیجان واقعی است زیرا اکنون می توانیم اکتشاف کاتدهای جدید را انجام دهیم."