پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف، موفق به طراحی و ساخت نوعی ابرخازن انعطافپذیر حالتجامد مبتنی بر یون سدیم شدهاند که هم از مواد ارزان و فراوان بهره میبرد و هم عملکردی چشمگیر ارائه میدهد. این ابداع میتواند راهکاری کمهزینه، دوستدار محیط زیست و کارآمد برای نسل آینده الکترونیک پوشیدنی باشد.
به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی شریف، با گسترش ساعتهای هوشمند، حسگرهای پزشکی پوشیدنی و لباسهای الکترونیکی، نیاز به منابع انرژی سبک، ایمن و انعطافپذیر بیش از هر زمان دیگری احساس میشود؛ اما سیستمهای ذخیره انرژی رایج همچنان با محدودیتهایی مانند هزینه بالا، خطرات ایمنی و عمر محدود روبهرو هستند.
اکنون پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف به سرپرستی دکتر سعید شاهرخیان استاد دانشکده شیمی در گامی مهم، موفق به طراحی و ساخت نوعی ابرخازن انعطافپذیر حالتجامد مبتنی بر یون سدیم شدهاند. این سامانه نوآورانه با استفاده از الکترود منسوج محور و نانوساختار، توانسته به ولتاژ کاری ۲.۱ ولت و چگالی انرژی ۸۱.۷ واتساعت بر کیلوگرم دست یابد.
همچنین دستگاه ساختهشده پس از هزاران چرخه شارژ و دشارژ، پایداری بالایی از خود نشان داده و حتی در شرایط خمشدن مکرر نیز کارایی خود را حفظ کرده است؛ دستاوردی که میتواند آینده تجهیزات پوشیدنی را متحول کند.
در دنیایی که ابزارهای الکترونیکی روز به روز کوچکتر، هوشمندتر و قابل حملتر میشوند، مسئله تأمین انرژی به یکی از چالشهای اصلی فناوری تبدیل شده است. ساعتهای هوشمند، حسگرهای پایش سلامت، لباسهای الکترونیکی و تجهیزات پزشکی قابلحمل، همگی به منابع انرژی نیاز دارند که در عین سبکبودن، ایمن، بادوام و انعطافپذیر باشند.
سیستمهای ذخیره انرژی مرسوم اگرچه کاربرد گستردهای دارند، اما در بسیاری موارد برای نسل جدید ابزارهای پوشیدنی گزینهای ایدهآل محسوب نمیشوند. از همین رو، پژوهشگران در سراسر جهان به دنبال فناوریهای نوینی برای ذخیرهسازی انرژی هستند.
در همین راستا، ابداع اخیر محققان دانشگاه صنعتی شریف میتواند راهکاری کمهزینه، دوستدار محیط زیست و کارآمد برای نسل آینده الکترونیک پوشیدنی باشد. این پژوهش با تمرکز بر استفاده از مواد در دسترس و فرایندهای ساخت ساده انجام شده تا امکان تولید صنعتی و گسترده آن نیز فراهم شود.
ضرورت انجام این پروژه از آنجا ناشی میشود که بسیاری از سامانههای ذخیره انرژی پیشرفته، وابسته به فلزات گرانقیمت یا مواد کمیاب هستند. در مقابل، سدیم عنصری فراوان، ارزان و در دسترس است و میتواند جایگزین مناسبی برای سامانههای مبتنی بر لیتیوم باشد. از سوی دیگر، ابزارهای پوشیدنی نیازمند منابع انرژی هستند که هنگام خمشدن، پیچش یا حرکت بدن، افت عملکرد نداشته باشند. ترکیب این دو نیاز، یعنی هزینه پایین و انعطافپذیری بالا، انگیزه اصلی اجرای این پژوهش بوده است.
پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف برای ساخت این ابرخازن، الکترودی انعطافپذیر طراحی کردند که بر پایه نمد الیاف کربن فعال ساخته شده است. روی این بستر، سه ماده عملکردی بهصورت ترکیبی قرار گرفتهاند: دیاکسید منگنز، هگزاسیانوفرات مس-کبالت و گرافن اکسید کاهشیافته. بخش نانویی این دستاورد دقیقاً در همین نقطه قرار دارد؛ جایی که ساختارهای نانومقیاس بهعنوان عامل اصلی افزایش سطح تماس، تسهیل انتقال بار و بهبود ذخیرهسازی یون سدیم ایفای نقش میکنند.
در این سامانه، دیاکسید منگنز بهصورت خوشههای نانویی کرممانند و پمپومگونه طراحی شده است. همچنین هگزاسیانوفریت مس-کبالت در قالب نانومکعبها و گرافن احیاء شده بهصورت لایههای رسانا در ساختار حضور دارد. این معماری نانویی باعث شده الکترود حاصل، ظرفیت ذخیرهسازی بسیار بالایی از خود نشان دهد و یونهای سدیم بتوانند با سهولت بیشتری در ساختار ماده وارد و خارج شوند.
یکی از مهمترین شاخصهای هر سامانه ذخیره انرژی، چگالی انرژی آن است؛ یعنی میزان انرژی ذخیرهشده نسبت به جرم دستگاه. ابرخازن ساختهشده توسط محققان دانشگاه صنعتی شریف توانسته به چگالی انرژی ۸۱.۷ واتساعت بر کیلوگرم برسد. این مقدار نشان میدهد که فاصله سنتی میان باتریها و ابرخازنها در حال کاهش است و ابرخازنها نیز میتوانند انرژی بیشتری در حجم و وزن کمتر ذخیره کنند.
عمر چرخهای دستگاه نیز چشمگیر گزارش شده است. این سامانه پس از ۵۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، همچنان ۹۲.۷ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده است. چنین پایداری برای کاربردهای روزمره اهمیت فراوان دارد، زیرا کاربران انتظار دارند ابزارهای پوشیدنی در طول زمان دچار افت محسوس عملکرد نشوند.
ویژگی مهم دیگر این فناوری، حفظ کارایی در هنگام خمشدنهای مکرر است. از آنجا که ابزارهای پوشیدنی دائماً در معرض حرکت، تا شدن و تغییر شکل هستند، منبع انرژی آنها نیز باید چنین شرایطی را تحمل کند. آزمایشها نشان داده این ابرخازن حتی تحت تنشهای مکانیکی تکراری نیز عملکرد ذخیرهسازی انرژی خود را حفظ میکند.
استفاده از مواد ارزانقیمت، غیرسمی و فراوان در کنار روشهای ساخت ساده، از دیگر مزایای این پروژه است. بسیاری از فناوریهای پیشرفته در مرحله آزمایشگاهی موفق هستند اما به دلیل هزینه بالا یا پیچیدگی تولید، هرگز به بازار نمیرسند. این پژوهش تلاش کرده از ابتدا مسئله مقیاسپذیری و تولید انبوه را نیز مدنظر قرار دهد؛ رفتاری نادر و تحسینبرانگیز در جهانی که گاهی اختراع میکند فقط برای اینکه مقاله چاپ شود.
این دستاورد میتواند در آینده برای تأمین انرژی حسگرهای پزشکی، لباسهای هوشمند، تجهیزات اینترنت اشیا، ابزارهای ورزشی پوشیدنی و حتی سامانههای ذخیره انرژی سبک وزن مورد استفاده قرار گیرد. همچنین توسعه فناوریهای مبتنی بر سدیم میتواند وابستگی به منابع محدود لیتیوم را کاهش دهد و مسیر پایدارتری برای صنعت انرژی رقم بزند.
پژوهش انجامشده در دانشگاه صنعتی شریف نشان میدهد که ترکیب هوشمندانه نانو مواد، طراحی مهندسیشده و توجه به نیازهای بازار میتواند راه را برای نسل تازهای از منابع انرژی باز کند؛ منابعی که هم خم میشوند، هم دوام میآورند و هم هزینه کمتری دارند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Towards Cost-Effective, High-Voltage Sodium-Ion Flexible Symmetric Supercapacitors: Unveiling the Potential of Textile-based Intercalative MnO2/Copper-Cobalt Hexacyanoferrate/RGO Electrode در نشریه Chemical Engineering Journal به چاپ رسیده است.