در سال 2013، محققان کره جنوبی سیلیس موجود در پوسته برنج را به سیلیکون متخلخل برای آند باتری لیتیوم یون تبدیل کردند. ظرفیت تئوری سیلیکون حدود 10 برابر گرافیت معمولی است و ساختار متخلخل طبیعی پوسته به جلوگیری از تجزیه مواد از طریق شارژ مکرر کمک می کند.

آیا می دانستید که یک دانه برنج در پوسته ای پیچیده می شود که اکثر مردم جهان آن را دور می اندازند؟ ما سالانه بیش از 100 میلیون تن پوسته برنج در سراسر جهان تولید می کنیم و در بیشتر تاریخ آن را سوزانده، کمپوست کرده یا دور انداخته ایم.

در مطالعه ای که در مرکز این مقاله قرار داشت، گروهی از محققان کره جنوبی به دنبال باتری بهتری رفتند: نه در یک کارخانه تولید تراشه های پیشرفته، بلکه در این محفظه دور ریخته شده.

این ایده به دلیل اختلاف طولانی مدت در شیمی باتری اهمیت دارد.

وعده سیلیکون و چگونگی خود تخریبی آن

آند بخشی از باتری لیتیوم یونی است که لیتیوم را در حین شارژ شدن سلول نگه می دارد. بر روی کاغذ، سیلیکون خانه بسیار بهتری برای این لیتیوم نسبت به گرافیت مورد استفاده در بیشتر باتری های امروزی است. طبق گفته تیم یی کوی در استنفورد، سیلیکون می‌تواند تقریباً ده برابر بیشتر از گرافیت بار در وزن یکسان ذخیره کند.

اگر این شکاف صرفاً به محصولات تبدیل شود، تلفن ها و اتومبیل ها قبلاً با آن کار می کردند.

اینطور نیست و دلیلش فیزیکی است. هنگامی که سیلیکون لیتیوم را در حین شارژ جذب می کند، به میزان قابل توجهی و حدود 280 درصد متورم می شود. ماده ای که بسیار رشد می کند و منقبض می شود، پس از شارژ شارژ می شود، ترک می خورد و خرد می شود. یک بررسی میدانی اخیر همین مشکل را توصیف می کند: تورم باعث می شود آند ترک خورده و ظرفیت خود را در طول زمان از دست بدهد. همین ایراد تنها به این دلیل است که گرافیت، با وجود داشتن یک دهم شارژ، استاندارد صنعت برای چندین دهه بوده است. گرافیت به سختی متورم می شود. این فقط کار می کند، بارها و بارها.

بنابراین کل بازی در تحقیقات سیلیکونی یافتن شکلی از سیلیکون است که می تواند بدون پاره شدن منبسط شود. بیشتر رویکردها سعی می کنند این ساختار را در آزمایشگاه با ساخت ذرات ریز سیلیکون با فضای خالی عمدی طراحی شده برای جذب تورم ایجاد کنند.

چیزی که تیم KAIST در ورقه ها پیدا کرد

تیم موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره، از جمله دای سو جونگ و نویسنده مسئول، جانگ ووک چوی، مسیر متفاوتی را در پیش گرفتند. آنها متوجه شدند که مواد خام دقیقاً برای این نوع سیلیکون متخلخل قبلاً در مزارع بود. پوسته برنج سرشار از سیلیس است، شکل اکسید شده سیلیکون، و این سیلیس یک بلوک جامد نیست. به طور طبیعی پر از سوراخ های کوچک متصل است.

این سوراخ ها به دلایل بیولوژیکی وجود دارند. همانطور که نویسندگان در مقاله خود توضیح می دهند، گیاهان برنج یک لایه سیلیکونی متخلخل در پوسته خود ایجاد کرده اند که به تهویه بین قسمت های داخلی و خارجی پوسته اجازه می دهد و در عین حال به محافظت از دانه در برابر حشرات و باکتری ها کمک می کند. پاسخ Evolution به این مشکل یک پوسته قارچ مانند بود.

حرکت این تیم کاهش شیمیایی سیلیس به سیلیکون و در عین حال حفظ ساختار متخلخل به هم پیوسته بود. آنها این کار را با احیای حرارتی منیزیم، گرم کردن سیلیس پوسته برنج با منیزیم در دمای 850 درجه سانتیگراد قبل از حذف اکسید منیزیم حاصل انجام دادند. هدف آنها استفاده از پوسته برنج با ارزش بالا با تبدیل سیلیس به سیلیکون و استفاده از آن به عنوان آند باتری با ظرفیت بالا بود.

چرا ساختار طبیعی مهم است

اینجاست که زیست شناسی کاری را انجام می دهد که مهندسی آزمایشگاه برای آن تلاش می کند. سیلیکون متخلخل را می توان با دست ساخت، اما ایجاد این شبکه به هم پیوسته از سوراخ های ریز به صورت ارزان و مداوم دشوار است. پوسته با ساختاری از قبل تشکیل شده می رسد. فضای خالی که تکامل برای جریان هوا ایجاد کرده است تقریباً همان فضای خالی است که آند سیلیکون برای متورم شدن در هنگام شارژ بدون ترک نیاز دارد.

طبق خلاصه تحقیقات آسیایی دانشمند، “آندهای ساخته شده از سیلیکون پس از شارژ مکرر ناپایدار و مستعد خراب شدن هستند، اما ساختار منحصر به فرد آندهای سیلیکونی ساخته شده از پوسته برنج به آنها اجازه می دهد تا از چنین مشکلاتی جلوگیری کنند.”

همچنین این اتفاق یک آزمایشگاه واحد نبود. در همان سال، گروهی از استنفورد به طور مستقل سیلیکون را از پوسته برنج استخراج کردند و به نتیجه مشابهی دست یافتند. سیلیکون پوسته برنج آنها تقریباً هفت برابر بیشتر از گرافیت ذخیره می کند و 86 درصد ظرفیت خود را برای 300 چرخه شارژ حفظ می کند. دو تیم، دو قاره، یک پوسته دور ریخته شده، نتیجه یکسان. این اطمینان‌بخش‌تر از یک نتیجه به تنهایی است.

مواد خام فراوان در مقابل یک مشکل هزینه حل نشده

چیزی که پوسته برنج به ارمغان می آورد مقیاس و هزینه است. قبلاً توسط صدها میلیون تن تولید شده است، زباله‌ای است که هیچ‌کس نمی‌خواهد، و با ساختار دقیقی که سیلیکون را قابل استفاده می‌کند، از قبل بارگذاری شده است. این را با سیلیکون تولید شده در آزمایشگاه مقایسه کنید، که گران است و حفظ حجم ثابت آن دشوار است، و جذابیت آن واضح است.

بیش از یک دهه بعد، آندهای سیلیکونی به یک نقطه عطف واقعی، به ویژه برای وسایل نقلیه الکتریکی رسیده اند. افزودن سیلیکون می‌تواند مقدار انرژی باتری را 20 تا 40 درصد در مقایسه با گرافیت افزایش دهد، که یک پیروزی بزرگ در بازاری است که برد آن همه چیز است.

جسورترین صداها در صنعت معتقدند که تغییر اجتناب ناپذیر است. Rick Luebbe، مدیر عامل سازنده آند سیلیکون Group14 Technologies، به Charged گفت: “ما فکر می کنیم فناوری باتری های سیلیکونی منسوخ خواهد شد، در حال حاضر باتری های مبتنی بر گرافیت منسوخ شده اند، و تنها محدودیت این است که شرکت ها با چه سرعتی می توانند مواد آند سیلیکون را به بازار عرضه کنند.”

ما این موضوع را با کمی شک و تردید در نظر می گیریم. Luebbe شرکتی را اداره می کند که مواد آند سیلیکون را می فروشد، بنابراین او به وضوح در داستانی که می گوید سهمی دارد و این ادعا که گرافیت “اکنون منسوخ شده است” با بازاری که گرافیت هنوز در آن غالب است مطابقت ندارد. اکثر باتری های امروزی حتی تماما سیلیکونی نیستند. آنها مقداری سیلیکون را با گرافیت مخلوط می کنند تا مقداری از ظرفیت اضافی را بدون ایجاد ترک جذب کنند. سؤالات تولیدی که لوبه رد می کند، هزینه، ثبات و مقیاس، دقیقاً سؤالاتی هستند که هنوز باز هستند.

تا آنجا که می‌توانیم بگوییم، پوسته برنج سخت‌ترین بخش مشکل سیلیکون را به ظریف‌ترین شکل ممکن حل کرد: به کارخانه اجازه داد تا ساختاری را بسازد که مهندسی انسانی همچنان در آن دست و پا می‌زند. کاری که هنوز انجام نداده است، و هیچ کس هنوز به طور کامل انجام نداده است، ثابت می کند که می تواند در مقیاسی که یک زنجیره تامین باتری واقعی نیاز دارد، کار کند. ضایعات ارزان و فراوان مزرعه با فرم مناسب داخلی یک موقعیت شروع قوی است. آند ساختن آن در ماشین بعدی شما یک مشکل متفاوت و بسیار بزرگتر است و آن یکی هنوز در حال توسعه است.