پژوهشگران ژاپنی با استفاده از شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای نشان داده‌اند که یون‌های سدیم چگونه در آندهای کربن سخت خوشه تشکیل می‌دهند و درون آن‌ها حرکت می‌کنند. این مطالعه، اندازه بهینه نانوحفره‌ها و نواحی گذار مؤثر بر نفوذ و عملکرد نرخ شارژ/دشارژ در باتری‌های سدیم‑یونی را شناسایی کرده و دستورالعمل‌های طراحی مهمی برای بهینه‌سازی آندهای کربن سخت، افزایش چگالی انرژی، بهبود چرخه‌پذیری و تسریع تجاری‌سازی این باتری‌ها ارائه می‌دهد.

دانشمندان مؤسسه علوم توکیو (Science Tokyo) با بهره‌گیری از شبیه‌سازی‌های پیشرفته ابررایانه‌ای، فیزیک حاکم بر آندهای کربن سخت (Hard Carbon – HC) در باتری‌های سدیم‑یونی (NIBs) را با جزئیات اتمی بررسی کرده‌اند.

کربن سخت یکی از اجزای کلیدی باتری‌های سدیم‑یونی پیشرفته به شمار می‌رود؛ باتری‌هایی که در سال‌های اخیر به دلیل فراوانی سدیم و هزینه بالقوه کمتر نسبت به لیتیوم، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. با نزدیک شدن این فناوری به مرحله تجاری‌سازی، چالش اصلی پژوهشگران درک این موضوع بوده است که یون‌های سدیم چگونه در دماهای عملیاتی داخل حفره‌های کربن سخت خوشه تشکیل می‌دهند و چرا تحرک کلی آن‌ها نسبتاً کند باقی می‌ماند.

کشف گلوگاه نفوذ یون‌های سدیم در مقیاس اتمی

«من معتقدم ما نخستین گروهی هستیم که تشکیل خوشه‌های سدیم (Na) را در نانوحفره‌های کربن سخت نشان داده‌ایم. همچنین برای اولین بار، گلوگاه نفوذ یون‌های سدیم در کربن سخت در مقیاس اتمی تحلیل و به‌صورت بصری نمایش داده شده است»، چه‑آن لین، نویسنده مسئول مقاله، در گفت‌وگو با pv magazine توضیح داد.

او افزود: «نتایج ما نشان می‌دهد که یون‌های سدیم در بخش عمده‌ای از ساختار کربن سخت، ضریب نفوذ بالایی دارند و این نواحی گذار بین فاصله‌های بزرگ و باریک لایه‌های گرافنی هستند که مانع اصلی نفوذ یون سدیم محسوب می‌شوند. بنابراین اگر بتوان ساختار کربن سخت را به‌صورت هدفمند بهینه‌سازی کرد، امکان بهبود چشمگیر توان نرخ (Rate Capability) وجود دارد.»

چگالی انرژی؛ مانع اصلی تجاری‌سازی گسترده

لین تأکید کرد که چگالی انرژی مهم‌ترین چالشی است که پیش از تجاری‌سازی گسترده باتری‌های سدیم‑یونی باید بر آن غلبه کرد. به گفته او، در حال حاضر برخی شرکت‌ها تولید انبوه باتری‌های سدیم‑یونی را آغاز کرده یا در حال برنامه‌ریزی برای آن هستند. بیشتر محصولات تجاری این حوزه بر شارژ و دشارژ سریع و دامنه دمای کاری گسترده تمرکز دارند؛ ویژگی‌هایی که دستیابی به آن‌ها در باتری‌های لیتیوم‑یونی دشوارتر است. از این رو، باتری‌های سدیم‑یونی می‌توانند به‌عنوان فناوری مکمل باتری‌های لیتیوم‑یونی نقش مهمی در بازار ذخیره‌سازی انرژی ایفا کنند.

نقش باتری‌های سدیم‑یونی در آینده بدون کربن

یوشیتاکا تاتِی‌یاما، سرپرست گروه تحقیقاتی، در بیانیه‌ای اعلام کرد:

«در نهایت، گسترش استفاده از باتری‌های سدیم‑یونی باعث افزایش عرضه کلی باتری در جامعه می‌شود و از تحقق آینده‌ای کربن‌خنثی حمایت می‌کند. با تلفیق بینش‌های جدید به‌دست‌آمده، این مطالعه دستورالعمل‌های طراحی شفاف‌تری برای مواد کربن سخت با قابلیت ذخیره مؤثر سدیم ارائه می‌دهد و به توسعه باتری‌های سدیم‑یونی بهتر کمک می‌کند.»

شبیه‌سازی با ابررایانه Fugaku

تیم تاتِی‌یاما این پژوهش را با استفاده از چندین ابررایانه قدرتمند، از جمله Fugaku (یکی از ده ابررایانه سریع جهان) انجام داد. آن‌ها شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT‑MD) با دقت بالا را اجرا کرده و آرایش‌های مختلف یون‌های سدیم و صفحات گرافنی را بررسی کردند.

نتایج نشان داد که یون‌های سدیم در نانوحفره‌ها، در مراحل اولیه از حالت جذب دوبعدی به حالت خوشه‌ای سه‌بعدی با ماهیتی شبه‌فلزی گذار می‌کنند. بر این اساس، پژوهشگران قطر بهینه نانوحفره برای ذخیره پایدار سدیم را حدود ۱٫۵ نانومتر تعیین کردند.

دستورالعمل‌های طراحی آند کربن سخت

در مقاله آمده است:

«بر اساس نتایج ما، می‌توان دستورالعمل‌هایی برای طراحی آند کربن سخت با ظرفیت سکویی (Plateau Capacity) بالا و سینتیک چرخه‌ای مناسب ارائه داد. برای دستیابی به ظرفیت سکویی بالا، باید اندازه و کسر حجمی حفره‌ها به‌دقت کنترل شود. اندازه بهینه حفره حدود ۱٫۵ نانومتر است و حفره‌های کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از این مقدار می‌توانند به ناپایداری خوشه‌های سدیم منجر شوند. توزیع باریک اندازه حفره‌ها با میانگین حدود ۱٫۵ نانومتر، ظرفیت سکویی بالاتری ایجاد می‌کند.»

گلوگاه‌های ساختاری و عملکرد کند

این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان داد که برخی یون‌های سدیم جذب‌شده در نقص‌های ساختاری، به‌جای عمل کردن به‌عنوان هسته‌های اولیه، با کاهش برهم‌کنش سدیم–کربن و محدود کردن فضای موجود، به تشکیل خوشه‌های سدیم کمک می‌کنند. علاوه بر این، اگرچه یون‌های سدیم در نواحی به‌خوبی متصل کربن سخت نفوذ سریعی دارند، نواحی انشعاب یا اتصال مجدد به‌عنوان گلوگاه‌های شدید مهاجرت یونی عمل می‌کنند.

پژوهشگران توضیح دادند: «این نواحی گذار باریک تا زمانی که نیروی دافعه کافی ایجاد شود، توسط یون‌های سدیم مسدود می‌شوند. همین موضوع یک مرحله محدودکننده نرخ ایجاد می‌کند که عملکرد کند این ماده را توضیح می‌دهد.»

انتشار نتایج

یافته‌های این تحقیق در مقاله‌ای با عنوان

“Unveiling Dominant Processes of Na Cluster Formation and Na-Ion Diffusion in Hard Carbon Nano-Pore: A DFT-MD Study”

در مجله Advanced Energy Materials منتشر شده است.

منبع: pv magazine global

تعرفه برق تجدیدپذیر صنایع برای مهرماه اعلام شد

تعرفه برق تجدیدپذیر برای اعمال در قبوض صنایع مشمول ماده ۱۶ قانون جهش تولید دانش‌بنیان و دستگاه‌های اجرایی مشمول ماده ۵ قانون خدمات کشوری برای ماه مهر ۱۴۰۳ اعلام شد.

به گزارش آرا نیرو، از وزارت نیرو، به‌منظور اجرای آیین‌نامه اجرایی ماده ۱۶ قانون جهش تولید دانش‌بنیان و مصوبه ۱۰ دی‌ماه ۱۴۰۲ مبنی بر اعمال تعرفه تجدیدپذیر در قبوض برق مصرفی صنایع با مصرف بیش از یک مگاوات و دستگاه‌های اجرایی مشمول ماده (۵) قانون مدیریت خدمات کشوری که به ترتیب نسبت به تامین ۲ و پنج درصد برق مصرفی خود از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر اقدام نکرده‌اند، تعرفه برق تجدیدپذیر برای درج در قبوض صنایع و دستگاه‌های اجرایی مشمول برای دوره مهر اعلام شد.

تعرفه برق تجدیدپذیر تعیین شده از سوی سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌وری برق (ساتبا) برای مشترکان صنعتی به‌ازای هر کیلووات‌ساعت ۴۱ هزار و ۴۹۰ ریال و تعرفه دستگاه‌های اجرایی به‌ازای هر کیلووات‌ساعت ۴۰ هزار ریال اعلام شده است.

بر اساس ماده ۱۶ قانون جهش تولید دانش‌بنیان که در سال ۱۴۰۱ برای اجرا به دولت ابلاغ شده است، صنایع با قدرت مصرف بیش از یک مگاوات موظف هستند معادل یک درصد از برق مورد نیاز سالیانه خود را از طریق احداث نیروگاه‌های تجدیدپذیر تامین کنند و این میزان در پایان سال پنجم حداقل به پنج درصد می‌رسد. در غیر این صورت وزارت نیرو موظف است درصد ذکر شده از برق مصرفی این صنایع را با تعرفه برق تجدیدپذیر محاسبه کرده و از صنایع اخذ کند.

همچنین در راستای توسعه نیروگاه‌های تجدیدپذیر و باهدف اجرای ماده ۸ مصوبات شورای‌عالی انرژی، همه دستگاه‌هایی اجرایی موضوع ماده ۵ قانون خدمات کشوری مکلف هستند سالیانه پنج درصد مصرف برق خود را تا رسیدن به سهم ۲۰ درصد مصرف سال از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر تامین کنند؛ به عبارتی دیگر مشترکان مشمول در سال ۱۴۰۳، پنج درصد برق مصرفی خود را از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر و در طول مدت چهار ساله (سالیانه پنج درصد) تا ۲۰ درصد افزایش دهند.

آینده روشن خودروهای الکتریکی؛
این بار با کاهش اتکا به استخراج کبالت
دانشمندان MIT به پیشرفتی دست یافته اند که میتواند آینده خودروهای الکتریکی را تغییر دهد و اتکا به استخراج کبالت را کاهش دهد: «[این] می تواند تأثیر بزرگی داشته باشد».
این تأثیر تا حد زیادی بزرگ است، زیرا تأثیر استخراج کبالت ویرانگر است.
به گزارش آرا نیرو یکی از بزرگترین مشکلات سرعت در مسیر پذیرش انبوه خودروهای برقی، استفاده از فلزاتی مانند کبالت در باتری‌های EV است. در حالی که این فلزات برای باتری‌ها ایده‌آل هستند، اما در مورد هزینه و تأثیر آن بر سلامت افراد و محیط‌زیست دارای معایب قابل توجهی هستند.
با این حال، وابستگی به این فلزات ممکن است به لطف محققان MIT که گزینه ارزان‌تر و پایدارتری را توسعه داده‌اند، از بین برود.
مطابق گزارش MIT News، محققان ماده آلی جدیدی را برای جایگزینی کبالت در کاتد باتری های لیتیوم یون طراحی کرده اند. مواد مورد نیاز برای تولید این نوع کاتد در حال حاضر در مقادیر زیادی تولید شده است و محققان انتظار دارند که هزینه تولید باتری ها حدود یک سوم تا یک دوم هزینه باتری های مبتنی بر کبالت باشد.
مواد جایگزین مانند آهن – مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم-آهن فسفات – و سایر مواد آلی امیدوارکننده هستند، اما تاکنون، همه آنها از نظر چگالی انرژی، رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی کمتر از کبالت بوده‌اند.
در مطالعه جدید، محققان MIT نشان دادند که ماده جدید می‌تواند برق را با نرخ‌های مشابه کبالت هدایت کند، و باتری ظرفیت ذخیره‌سازی قابل مقایسه‌ای دارد _بعلاوه، می‌توان آن را سریع‌تر از همتایان کبالت خود شارژ کرد._
استاد انرژیMIT آقای Mircea Dincă W.M، گفت: “من فکر می کنم این ماده می تواند تأثیر زیادی داشته باشد زیرا واقعاً خوب کار می کند.”
این تأثیر تا حد زیادی بزرگ است، زیرا تأثیر استخراج کبالت بزرگ و ویرانگر است.
براساس Mining.com، بیش از 70 درصد کبالت جهان در جمهوری دموکراتیک کنگو تولید می شود. شرایط اطراف هر یک از این معادن وحشیانه است – یک مقاله NPR از آن به عنوان «بردگی امروزی» یاد می‌کند.
کار طاقت فرسا است افرادی که در معادن کار می کنند در حالی که فقط یک یا دو دلار در روز درآمد دارند، در غبار سمی کبالت تنفس می کنند. این تنها گزینه برای بسیاری از مردم است زیرا معادن کاملاً بر جامعه تسلط یافته اند. به گفته NPR، “صدها هزار نفر آواره شده‌اند، زیرا روستاهای آنها فقط با بولدوزر تخریب شده اند تا امتیازات بزرگ معدنی را فراهم کنند.”

source:https://zmscable.es/

به گزارش آرا نیرو قطع میلیون ها درخت اثرات آن را بر منطقه بدتر می‌کند، همچنین آلودگی آب ناشی از استخراج کبالت که باعث از بین رفتن ماهی ها در نهرها و دریاچه ها شده است.
هریتیر مالوبا، ساکن کنگو، در Earth.org گفت: «در این جریان، ماهی مدت‌ها پیش ناپدید شد و توسط اسیدها و زباله‌ معدن‌ها کشته شده اند.
به گفته NPR، فساد دولتی بهبود شرایط در این معادن و اطراف آن را دشوار کرده است و مشکل ساده نیست زیرا کارگران برای تامین غذای خانواده خود به مشاغل متکی هستند. در حالی که نمی توان انتظار داشت که همه راه حل های باتری جدید مشاغل جدید و ایمن تری را برای این کارگران کنگو فراهم کنند، کاهش تقاضا برای کبالت برای جلوگیری از تشویق شرکت ها به منظور کاهش استخراج کبالت و حواشی مربوط به آن بسیار مهم است.
برای محیط زیست و سلامت جهان بسیار مهم است که از منابع انرژی کثیف مانند زغال سنگ، نفت و گاز – صنایعی که اغلب کارگران را ملزم می‌کنند با خطرات سلامتی و ایمنی خود روبرو شوند – فاصله بگیرند، اما باید اینگونه نباشد که مشکلاتی مشابه مشکلاتی که آن منابع ایجاد می کردند، تولید کنند.
درسته خودروهای برقی مانند نمونه‌های خود که با سوخت بنزین یا گاز کار می‌کنند، آلودگی لوله اگزوز تولید نمی‌کنند، و این موضوع آنها را برای محیط زیست بهتر می‌کند، اما پیشرفت‌هایی مانند آنچه که این محققان MIT انجام دادند برای از بین بردن بخش‌های خطرناک تولید خودروهای الکتریکی بسیار مهم است. بازار خودروهای الکتریکی هنوز تقاضای زیادی دارد، بنابراین توسعه جایگزین های باتری بهتر برای کاهش وابستگی ما به فلزات کمیاب و خطرناک مانند کبالت در سال های آینده حیاتی است.
منبع:
Nick Paschal
January 31, 2024