تمامی تکنولوژی‌ها‌ی روز دنیا در جهت کوچک‌تر کردن اندازه‌ی ذرات و افزایش سرعت پیشرفت می‌کنند. در حالی‌که صنعت باتری هنوز در این رابطه پیشرفت چندانی نداشته است. اما با کشف مواد جدید این روند تغییر خواهد کرد.

پژوهشگران، گروه خاصی از مواد را کشف کردند که برای ساخت باتری‌های پر‌قدرت‌تر به‌کار می‌آیند. پژوهشگران دانشگاه کمبریج از نوعی ماده با ساختار بلوری پیچیده استفاده کردند و متوجه شدند که یون‌ها‌ی لیتیوم می‌توانند با سرعتی بسیار بیش‌تر از الکترود‌ها‌ی معمولی درون آن‌ها حرکت کنند و این به معنی باتری‌ها‌ی سریع شارژ شونده است.

نام این نوع از مواد، نیوبیوم تنگستن اکسید است و با اینکه تحت استفاده‌ها‌ی چرخه‌ای باعث به‌وجود آمدن چگالی‌ها‌ی انرژی بالا‌تر نمی‌شوند، برای شارژ سریع‌تر استفاده می‌شوند. به‌علاوه، ساختار فیزیکی و رفتار شیمیایی آن‌ها، دید مناسبی برای ساخت یک باتری ایمن و سریع شارژ شونده به پژوهشگران خواهد‌داد. با کشف این مواد، این احتمال وجود دارد که در نسل بعدی باتری‌ها از مواد قدیمی استفاده نشود. نتایج این پژوهش در مجله‌ی Nature منتشر شده است.

اکثر تکنولوژی‌ها‌ی مورد استفاده‌ی ما هر سال کوچک‌تر، سریع‌تر و ارزان‌تر می‌شوند؛ اما باتری‌ها به‌صورت کاملا محسوسی از این قاعده پیروی نکرده‌اند. جدا‌ی از امکان ساخت گوشی‌ها‌ی هوشمندی که در چند دقیقه شارژ‌ شوند، مشکلات ساخت باتری‌ها‌ی بهتر به دو تکنولوژی پاک گسترده بر‌می‌گردد: ماشین‌ها‌ی الکتریکی و شبکه‌ها‌ي انرژی خورشیدی.

دکتر کت گریفیث، پژوهشگر پسا‌دکتری موسسه‌ی شیمی دانشگاه کمبریج و نویسنده‌ی اول مقاله گفت:

ما همیشه به‌دنبال موادی بوده‌ایم که نرخ بازدهی باتری را بالا ببرند و در نتیجه سرعت شارژ را افزایش دهند و بازدهی بالایی داشته باشند.

باتری‌ها در ساده‌ترین شکل خود از سه بخش تشکیل می‌شوند: الکترود مثبت، الکترود منفی و الکترولیت. زمانی که یک باتری در حال شارژ است، یون‌ها‌ی لیتیوم از الکترود مثبت جدا‌شده و از درون ماده‌ی الکترولیت، به سمت الکترود منفی حرکت می‌کنند و توسط آن جذب می‌شوند. هر‌چه این فرایند سریع‌تر اتفاق بیفتد، سرعت شارژ باتری نیز بیش‌تر می‌شود.

پژوهشگران برای انتخاب مواد به عنوان الکترود، اغلب به‌دنبال کوچک‌تر کردن اندازه‌ی ذرات هستند.  گریفیث گفت:

ایده این است که اگر بتوانیم مسیر یون‌ها‌ی لیتیوم را کوتاه‌تر کنیم، نرخ بازدهی بیش‌تری خواهیم داشت. اما ساخت یک باتری مناسب با استفاده از ذرات نانو مشکل است: واکنش‌ها‌ی شیمیایی نا‌خواسته در الکترولیت زیاد اتفاق می‌افتند؛ بنابراین عمر باتری کوتاه خواهد بود. به علاوه اینکه هزینه‌ی ساخت آن نیز زیاد خواهد بود.

پروفسور کلر گری همچنین از موسسه‌ی شیمی و سرپرست نویسندگان مقاله گفت:

ساخت ذرات نانو بسیار دشوار است. به‌همین دلیل ما به‌دنبال ذراتی هستیم که ویژگی‌ها‌ی مورد نظر را به‌صورت ذاتی داشته‌باشند.به این معنی که لازم نیست برای ساخت آن‌ها وارد یک فرایند پیچیده شویم و این موضوع 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 کار اصلی 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 لیتیوم تزریق‌شده را به دام نمی‌اندازد و اندزه‌ی ذرات آن نسبت به مواد تشکیل‌دهنده‌ی الکترود‌ها‌ی دیگر بزرگ‌تر است. حدس و گمان گریفیث بر این است که این مواد به دلیل چیدمان اتمی پیچیده‌ی خود تا کنون مورد توجه قرار نگرفته‌اند. با این حال او معتقد است که دلیل این انتقالات درونی خوب، همین پیچیدگی ساختار و ترکیب مخلوط فلزی آن است.

گریفیث گفت:

بیش‌تر مواد باتری‌ها به دو یا سه ساختار بلوری یکسان وابسته هستند؛ اما نیوبیوم تنگستن اکسید ذاتا متفاوت است. اکسید‌ها با پایه‌ی اکسیژن نگه‌داشته می‌شوند که به یون‌ها‌‌ی لیتیوم اجازه‌ی عبور از آن‌ها در سه بعد را می‌دهد. پایه‌ها‌ی اکسیژن یا صفحات شیار‌دار، این مواد را سخت‌تر از دیگر مواد سازنده‌ی باتری‌ها کرده است. بنابر همین ویژگی به علاوه‌‌ی ساختار باز آن‌ها، یون‌ها‌ی لیتیوم بیش‌تر و سریع‌تر می‌توانند از آن عبور کنند.

پژوهشگران توانستند با استفاده از تکنیکی به‌نام طیف‌سنجی گرادیان میدان پالسی (PFG) رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) که اعمال آن بر مواد الکترود باتری آسان نیست، حرکت یون‌ها‌ی لیتیوم درون اکسید‌ها را اندازه‌گیری کنند و متوجه شدند که نرخ حرکت یون‌ها بسیار بیش‌تر از مواد الکترودی معمولی است.

در بیش‌تر باتری‌ها‌ی لیتیومی، الکترود منفی از گرافیت ساخته شده است که چگالی انرژی بالایی دارد؛ اما زمانی که با نرخ بالایی شارژ می‌شود، رشته‌ها‌ی لیتیومی معروف به دندریت تشکیل می‌شوند. در این صورت جریان‌ها‌ی کوچکی تشکیل می‌شوند که می‌توانند باعث انفجار باتری و آتش گرفتن آن شوند. گری گفت:

در عملیاتی با نرخ بالا، بزرگ‌ترین نگرانی در مورد ایمنی سیستم است. مسلما این مواد می‌توانند برای شارژ سریع کاربرد داشته باشند و انتخاب مناسبی هستند؛ اما برای داشتن یک سیستم ایمن، باید جایگزینی برای گرافیت یافت شود.

از مزایای دیگر نیوبیوم تنگستن اکسید، علاوه بر نرخ بالای عبور لیتیوم، ساده بودن ساخت آن است. گریفیث گفت:

ساخت بیش‌تر ساختار‌ها‌ی ذرات نانو بسیار مشکل است و در آخر نیز مقدار کمی از ماده ساخته می‌شود؛ بنابر‌این در مقام مقایسه، این یک مشکل واقعی است. اما ساخت این اکسید‌ها بسیار ساده بوده و به ماده‌ی شیمیایی اضافه و کمکی نیازی نیست.

با اینکه نرخ عبور لیتیوم از اکسید‌ها بسیار بیش‌تر از مواد دیگر است، آن‌ها ولتاژ سلول را نسبت به مواد دیگر بسیار کم‌تر می‌کنند. با این حال این ولتاژ برای ایمنی سیستم مناسب است و نرخ بالای عبور لیتیوم به این معنی است که هم‌زمان با چرخش دوره‌ای سریع سیستم، انرژی مورد استفاده زیاد خواهد بود. گری گفت:

در حالی که اکسید‌ها تنها برای کاربرد‌ها‌ی خاصی استفاده می‌شوند،‌ باید به جستجوی مواد شیمیایی جدید ادامه داد. اگر به‌دنبال مواد جدید نباشیم، این صنعت راکد خواهد ماند. این مواد بسیار جالب توجه به ما نشان می‌دهند که چگونه می‌توانیم الکترود‌ها‌یی با نرخ عبور بیش‌تر طراحی کنیم.