باتری‌های بدون کبالت برای زمین مفید هستند

باتری‌های لیتیوم‌یونی تاکنون عملکرد مناسبی داشته‌اند و از آن‌ها تقریبا در همه‌چیز ازجمله تلفن‌همراه و لپ‌تاپ تا کشتی‌ها و هلی‌کوپترهای برقی مریخ استفاده می‌شود. باتری لیتیوم‌یونی به‌اندازه‌ای برای زندگی مدرن اهمیت دارد که برای سه نفر از شیمی‌دانان مخترع آن، جایزه‌ی نوبل را به‌ارمغان آورد؛ اما امروزه، صنعت باتری‌سازی به‌شدت به کبالت وابسته شده است.

کبالت ماده‌ای کمیاب و سمّی است که تقریبا در تمام الکترودهای باردار منفی یا کاتدهای باتری‌های لیتیوم‌یونی کنونی دیده می‌شود. این ماده به‌شدت پرهزینه و سنگین و با روش استخراج غیراخلاقی گره خورده است؛ به‌همین‌دلیل، بسیاری از تولیدکنندگان باتری به‌دنبال کاهش یا توقف کامل استخراج کبالت هستند. باوجوداین، کبالت نقشی اساسی در پایدارسازی باتری‌ها و تقویت تراکم انرژی آن‌ها ایفا می‌کند و سلول‌های آزمایشگاهی بدون کبالت، با مشکلاتی مثل طول عمر محدود و سرعت شارژ کُند روبه‌رو هستند.

ماه ژوئیه، گروهی شامل سه پژوهشگر دانشگاه تگزاس از نتایج آزمایش شیمی کاتد جدیدی خبر دادند که کبالت آن کاملا حذف شده است. آن‌ها از کاتد نیکلی در سلول‌ کوچک لیتیوم‌یونی استفاده کردند. اگرچه سرعت تراکم انرژی باتری از باتری‌های متداول کبالتی کُند‌تر بود؛ اما عملکرد آن در ولتاژهای بالاتر بهتر بود. سلول آزمایشی حتی پس از ۱۰۰۰ مرتبه چرخه‌ی شارژ و تخلیه‌ی شارژ (عمر متداول باتری تجاری)، درمقایسه‌با سلول‌های کبالتی عملکرد بهتری داشت. آروموگام مانتیرام، رئیس مؤسسه‌ی مواد دانشگاه تگزاس می‌گوید:

بسیاری از افراد کبالت را ضروری می‌دانند و معتقدند درصورت حذف آن، عملکرد باتری‌ها ضعیف خواهد شد. ما در ابتدا باید ثابت کنیم حذف کبالت به کاهش عملکرد باتری منجر نمی‌شود.

کبالت تقریبا یک‌پنجم مواد موجود در کاتد لیتیوم‌یونی را تشکیل می‌دهد که معمولا به دو شکل وجود دارد: NMC (نیکل منگنز کبالت اکسید) یا NCA (نیکل کبالت آلومینیوم اکسید). کبالت موجود در باتری‌ها خاصیت پایدارسازی دارد و از خوردگی کاتد و سوختن باتری جلوگیری می‌کند و سرعت شارژ باتری را افزایش می‌دهد؛ اما کبالت خام بسیار پرهزینه و استخراج آن کار دشواری است. نزدیک به دوسوم کبالت موجود در جهان از جمهوری کنگو استخراج می‌شود؛ اما استخراج‌کنندگان تقریبا بدون هیچ نظارتی فعالیت می‌کنند و همین نبود نظارت به سوءاستفاده‌هایی مثل استفاده از نیروی کار کودک منجر شده است.

حالا مانتیرام و همکارانش کاتدی با محتوای نیکلی بیشتر تولید کرده‌اند که ۸۹ درصد از وزن این کبالت را تشکیل می‌دهد. آن‌ها برای رسیدن به کاتد NMA بدون کبالت (نیکل منگنز آلومینیوم اکسید) از ترکیب مواد کاتدهای NMC و NCA استفاده کرده‌اند. اگرچه اولین‌بار نیست تیمی کاتد بدون کبالت را توسعه می‌دهند، مانتیرام مدعی است معایبی مثل طول عمر کوتاه باتری و تراکم انرژی اندک در کاتد جدید او وجود ندارند. گرگ لس، از آزمایشگاه باتری دانشگاه میشیگان، کاتد مانتیرام را امیدبخش می‌داند و می‌گوید:

برای شناسایی مشکلاتی مثل بررسی انحلال‌پذیری منگنز در دماهای بالا که در کاتدهای مشابه دیده شده‌اند، به آزمایش‌های بیشتری نیاز است؛ اما نتایج آزمایش‌های اولیه‌ی باتری امیدبخش هستند. جایگزین بدون کبالت می‌تواند رقیبی برای الکترودهای حاوی کبالت باشد.

مانتیرام و تیمش از روش‌های تخصصی مشابهی برای ترکیب مواداولیه در مقیاس نانو استفاده کردند. آن‌ها محلول‌های حاوی نیکل و منگنز و یون آلومینیوم را درون رآکتور پمپ کردند و سپس، آن‌ها را با محلول دیگری ترکیب کردند که با یون‌های فلزی واکنش می‌دهد. نتیجه‌ی نهایی پودری ترکیبی از هیدروکسیدهای فلزی بود که برای تولید کاتد از آن استفاده می‌شود. سرعت و دمای پمپ هم ازطریق فرایندی کنترل می‌شود تا کاتد به‌دست‌آمده ساختار و ترکیب مناسبی داشته باشد.

مانتیرام و همکارانش پس از ترکیب عناصر، کاتد را همراه‌ با آند گرافیتی معمولی داخل سلول آزمایشی لیتیوم‌یونی قرار دادند. آن‌ها در طول صدها چرخه‌ و سرعت‌های مختلف شارژ، متوجه تطبیق عملکرد کاتد با باتری‌های لیتیوم‌یونی معمولی موجود در بازار شدند. اگرچه کاتد بدون کبالت تراکم انرژی بسیار کمی دارد و می‌تواند یون‌های لیتیوم کمتری ذخیره کند، مانتیرام معتقد است این عیب هم با تغییر خواص شیمیایی باتری برطرف خواهد شد.

درحال‌حاضر، هدف مانتیرام خارج‌کردن باتری از آزمایشگاه و تبدیلش به محصولی تجاری است. او شرکت TexPower را برای تولید تجاری کاتد تأسیس کرده است. از این باتری‌ها می‌توان در مجموعه‌ای از کاربردها مثل وسایل الکترونیکی و خودروهای برقی و ذخیره‌سازی انرژی استفاده کرد.

مانتیرام امیدوار است کاتد بدون کبالت او در سال‌های آینده به تولید انبوه برسد؛ البته او در این رقابت تنها نیست. استارتاپی به‌نام اسپارکز اخیرا کاتدی بدون کبالت ثبت کرده است. شرکت‌های دیگری مثل پاناسونیک هم برای کاهش مقدار کبالت داخل باتری‌ها با یکدیگر رقابت می‌کنند.

طبق پژوهش بانک جهانی، برای تأمین تقاضای فزاینده‌ی باتری‌های لیتیوم‌یونی، باید تولید کبالت در دهه‌های آینده، ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کند. کشور کنگو به‌تنهایی نمی‌تواند این حجم تقاضا را برآورده کند و به‌گفته‌ی ویت، در سراسر جهان همکاری‌های متعددی در این زمینه در حال انجام است. بزرگ‌ترین منابع کبالتی بستر دریاها هستند؛ اگرچه استخراج از دریا هم خود مشکل دیگری است. حتی اگر تأمین کبالت با مشکلی روبه‌رو نباشد، با کاتدهای بدون کبالت می‌توان باتری‌های لیتیوم‌یونی ارزان‌تری تولید کرد که هم مواد سمّی کمتری دارند هم به شیوه‌ی اخلاقی‌تری تولید می‌شوند.