30 اکتبر 2025، عکس از نویسنده: نیتیکا والتر -باتری لیتیوم-یون (تصویر نمایشی)
آهن، یکی از رایجترین و بیتکلفترین فلزات زمین، دانشمندان را شگفتزده کرده است.
یک تیم به رهبری استنفورد کشف کرده است که چگونه آهن را به حالت انرژی بالاتری نسبت به آنچه قبلاً دیده شده است، برساند، شاهکاری که میتواند آینده باتریهای لیتیوم-یونی و سایر فناوریهای انرژی را تغییر دهد.
این پیشرفت نشان میدهد که آهن میتواند الکترونهای بیشتری را نسبت به آنچه قبلاً تصور میشد، آزاد و جذب مجدد کند و به طور بالقوه باتریهایی را ممکن سازد که هم قدرتمندتر و هم بسیار ارزانتر از نسخههای مبتنی بر کبالت یا نیکل امروزی هستند.
این یافته همچنین میتواند بر سایر فناوریهایی که به خواص مغناطیسی و الکترونیکی متکی هستند، از دستگاههای MRI گرفته تا قطارهای مغناطیسی و حتی ابررساناها، تأثیر بگذارد.
این کشف توسط سه دانشجوی دکترای استنفورد – هری راماچاندران، ادوارد مو و ادر لوملی – که رهبری یک تیم ۲۳ نفره را در چندین دانشگاه ایالات متحده، آزمایشگاههای ملی و شرکای بینالمللی در ژاپن و کره جنوبی بر عهده دارند، حاصل شد.
آنها با هم راهی برای هدایت آهن به حالتی که زمانی غیرقابل دسترس تلقی میشد، یافتند.نوآوری کلیدی آنها در تنظیم دقیق ساختار ترکیبی ساخته شده از لیتیوم، آهن، آنتیموان و اکسیژن نهفته است.
هنگامی که این ماده در مقیاس نانو چیده شد، به اتمهای آهن اجازه داد تا بارها و بارها پنج الکترون را از دست بدهند و دوباره جذب کنند، که بسیار فراتر از دو یا سه الکترون معمول است.
هنگامی که راماچاندران و مو تحقیقات خود را در سال ۲۰۲۱ آغاز کردند، نمونههای اولیه آنها در طول چرخههای شارژ دچار فروپاشی میشدند.
تیم متوجه شد که راه حل، بسیار کوچک کردن ذرات ماده است. راماچاندران گفت: «کوچک کردن ذرات – فقط ۳۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر یا یک میلیاردم متر، قطر، حدود ۴۰ برابر کوچکتر از قبل – به یک چالش تبدیل شد.»
در نهایت، این دو نفر فهمیدند که چگونه کریستالهای خود را از یک محلول مایع با دقت مخلوط شده رشد دهند.
مو گفت: «در آزمایشهای الکتروشیمیایی ما، به نظر میرسید که این ماده باعث میشود آهن به طور برگشتپذیر پنج الکترون را از دست بدهد و بعداً پنج الکترون را پس بگیرد، در حالی که ساختار کریستالی پایدار باقی میماند.»
لوملی برای تأیید آنچه در داخل اتفاق میافتد، با مشاور خود، تام دیوروکس، که متخصص در مدلسازی طیفهای اشعه ایکس است، همکاری کرد.تجزیه و تحلیل لوملی تأیید کرد که الکترونهای اضافی نه تنها از اتمهای آهن، بلکه با کمک حیاتی اکسیژن میآیند.
او گفت: «خیلی ساده است که بگوییم آهن قهرمان است یا اکسیژن قهرمان است.» «اتمهای موجود در این ماده که به زیبایی چیده شدهاند، مانند یک موجود واحد رفتار میکنند.»
بازگشت آهن به علم باتری، نقطه عطفی را نشان میدهد. کاتدهای مبتنی بر آهن که زمانی به دلیل ولتاژ بسیار پایین برای ذخیرهسازی پیشرفته انرژی نادیده گرفته میشدند، اکنون به عنوان جایگزینهای پایدار برای کبالت، که گران است و اغلب در شرایط خطرناک استخراج میشود، در حال ظهور هستند.
مو گفت: «یک کاتد مبتنی بر آهن با ولتاژ بالا میتواند از بده بستان بین ولتاژ بالاتر و فلزات گرانتر که قبلاً بر مواد کاتدی غالب بودند، جلوگیری کند.»
این ایده به سال ۲۰۱۸ برمیگردد، زمانی که ویلیام گنت، دانشجوی سابق دکترای استنفورد، این نظریه را مطرح کرد که اگر اتمهای مجاور با دقت از هم فاصله داشته باشند، میتوان آهن را به حالتهای اکسیداسیون بالاتر سوق داد. گنت هرگز فرصت تکمیل آزمایش را پیدا نکرد، اما تیم جدید این کار را انجام داد.
در مرکز باتری SLAC-استنفورد استنفورد، آزمایشهای اولیه نشان داد که ترکیب لیتیوم-آهن-آنتیموان-اکسیژن از نظر ساختاری دست نخورده باقی میماند و در طول چرخههای شارژ به جای شکستن، کمی خم میشود.
ویلیام چوئه، نویسندهی همکار، گفت: «دانشمندان به ندرت مواد مبتنی بر آهن با ولتاژ بالا را گزارش کردهاند. کاوش دقیق ساختار الکترونیکی ما از این گونهی آهن، شواهد قطعی از اکسیداسیون فراتر از سه الکترون را ارائه میدهد.»
مطالعهی کامل در اوایل این ماه در مجلهی Nature Materials منتشر شد.
