Wayne Lewis, Kaliforniya NanoSistemlər İnstitutu tərəfindən

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Bir illüstrasiya yeni batareya texnologiyasını simvollaşdırır: Zülallar (qırmızı) kiçik metal qruplarını (gümüş) saxlayır. Mərkəzdəki strukturlardakı hər sarı top nikel və ya dəmirin tək bir atomunu təmsil edir. Müəllif: Maher El-Kady / UCLA

Az bilinən bir fakt: 1900-cü ildə Amerika yollarında elektrikli avtomobillərin sayı benzinlə işləyən avtomobillərdən çox idi. O dövrün qurğuşun-turşulu avtomobil akkumulyatoru, Tomas Edisonun nəzakəti ilə, bahalı idi və cəmi 30 mil məsafə qət edə bilirdi. Bunu təkmilləşdirməyə çalışan Edison, nikel-dəmir akkumulyatorunun gələcəyi olduğuna inanırdı və o dövr üçün 100 mil məsafə qət etmə, uzun ömür və yeddi saatlıq sürətli doldurma müddəti vəd edirdi.

Təəssüf ki, bu vəd heç vaxt gerçəkləşmədi. İlk elektrik avtomobillərinin akkumulyatorları hələ də ciddi məhdudiyyətlərdən əziyyət çəkirdi və daxili yanma mühərrikindəki irəliləyişlər qələbə qazandı.

İndi isə UCLA-nın birgə rəhbərlik etdiyi beynəlxalq tədqiqat əməkdaşlığı, Edison-un kitabından bir səhifə götürərək, günəş elektrik stansiyalarında istehsal olunan enerjini saxlamaq üçün uyğun ola biləcək nikel-dəmir batareya texnologiyası hazırlayıb. Prototip saatlarla deyil, cəmi saniyələrlə doldurula bilib və 12.000-dən çox boşaltma və doldurma dövrünə nail olub ki, bu da 30 ildən çox gündəlik doldurulmaya bərabərdir.

Texnologiya, zülallardan istifadə edərək naxışlanmış kiçik metal qruplarından qurulmuşdur və sonra onlar yalnız bir atom qalınlığında təbəqələrdən hazırlanmış ikiölçülü materiala birləşdirilmişdir. Yenilikçi tərkib hissələrinə baxmayaraq, üsullar aldadıcı dərəcədə sadə və ucuzdur.

Tədqiqat Small jurnalında dərc olunub və arxa üz qabığında yer alıb.

UCLA Kollecinin kimya və biokimya şöbəsinin köməkçi tədqiqatçısı, tədqiqatın həmmüəllifi Maher El-Kady bildirib ki, “İnsanlar tez-tez müasir nanotexnologiya alətlərini mürəkkəb və yüksək texnologiyalı hesab edirlər, lakin bizim yanaşmamız təəccüblü dərəcədə sadə və birbaşadır. Biz sadəcə adi inqrediyentləri qarışdırırıq, yumşaq qızdırma addımları tətbiq edirik və geniş yayılmış xammaldan istifadə edirik.”

Biologiyadan kömək alan batareyalar

Təbiət aləmi tədqiqatçılar üçün bəzi işarələr verdi. Xüsusilə maraq doğuran məsələ heyvanların sümükləri, dəniz məhsulları isə sərt xarici qabıqlarını əmələ gətirməsi idi. Skeletlər içəridə və ya xaricdə olmasından asılı olmayaraq, onlar kalsium əsaslı birləşmələri toplamaq üçün iskele rolunu oynayan zülallar tərəfindən əmələ gəlir.

UCLA Kollecində kimya və biokimya, UCLA Samueli Mühəndislik Məktəbində isə materialşünaslıq və mühəndislik üzrə tanınmış professor Rik Kanerin sözlərinə görə, tədqiqatçılar bu mexanizmi təqlid edərək kiçik nikel və ya dəmir qruplarını yaratmağa çalışıblar.

“Təbiətin bu tip materialları necə yerləşdirməsindən ilham aldıq”, – deyə Dr. Myung Ki Hong adına Material İnnovasiyası üzrə Təqaüd Kafedrasının sahibi və UCLA-da Kaliforniya NanoSistemlər İnstitutunun üzvü olan Kaner bildirib.

“Mineralların düzgün şəkildə yerləşdirilməsi sümükləri möhkəm, lakin kövrək olmayacaq qədər elastik edir. Bunun necə edildiyi demək olar ki, istifadə olunan material qədər vacibdir və zülallar onların necə yerləşdirilməsinə rəhbərlik edir.”

Tədqiqatda komanda mal əti istehsalının yan məhsulları olan zülallardan istifadə etmişdir. Molekullar müsbət elektrodlar üçün nikel, mənfi elektrodlar üçün isə dəmir qruplarının yetişdirilməsi üçün şablon rolunu oynamışdır. Qatlanmış zülal strukturundakı künclər və çatlar metal qruplarının ölçüsünü beş nanometrdən az ölçüdə məhdudlaşdırmışdır. Bu o qədər kiçikdir ki, insan saçının eninə uyğunlaşmaq üçün təxminən 10.000-20.000 qrup lazım olardı. Tədqiqatçılar hətta elektrodlarında tək dəmir və nikel atomlarını da aşkar etmişlər.

Zülallar, oksigen atomları ilə bəzədilmiş karbondan ibarət tək atom qalınlığında təbəqələr şəklində olan ultra nazik 2D material olan qrafen oksidi ilə birləşdirildi. Oksigen materialın daha çox izolyator kimi hərəkət etməsinə səbəb olan tıxanmalar yarada bilsə də, sonrakı proses hər şeyi dəyişdirdi.

Tərkib hissələri suda qızdırıldı, sonra yüksək temperaturda bişirildi və bu da zülalların karbona çevrilməsinə, 2D materialdakı oksigeni soyulmasına və zülalların istiqamətləndirdiyi kiçik metal qruplarının yerləşməsinə səbəb oldu. Nəticədə əmələ gələn struktur, həcminin demək olar ki, 99%-i havadan ibarət olan aerogel idi.

Səth sahəsi super güc kimi

Texnologiyanın gizli problemlərinin bir hissəsi səth sahəsidir – nə qədər çox məruz qalsa, batareya kimyasının arxasındakı reaksiyaların baş verməsi üçün bir o qədər çox yer var.

Qrafen aerogelinin nazikliyi və boşluğun çoxluğu sayəsində bu qədər yer var idi. Metal nanoklasterlərin kiçikliyi isə fundamental riyazi prinsipdən istifadə edir: Obyektlər kiçildikcə, açıq xarici səthin ölçüsü həcmdən daha çox artır.

El-Kady bildirib ki, ” Daha böyük hissəciklərdən bu son dərəcə kiçik nanoklasterlərə keçdikcə səth sahəsi xeyli artır. Bu, batareyalar üçün böyük bir üstünlükdür. Zərrəciklər bu qədər kiçik olduqda, demək olar ki, hər bir atom reaksiyada iştirak edə bilər. Beləliklə, doldurma və boşalma daha sürətli baş verir, daha çox şarj saxlaya bilərsiniz və bütün batareya daha səmərəli işləyir.”

Gələcək üçün perspektivlər və növbəti addımlar

Şarj sürəti və davamlılığı baxımından üstünlüklərinə baxmayaraq, texnologiyanın bu versiyası bugünkü litium-ion batareyalarının saxlama imkanlarına uyğun gəlmir. Elektrikli avtomobil bazarında yüksək diapazona malik tədqiqatçılar gələcəyin bu Edisondan ilhamlanan batareyasının bir gün digər sahələrdə də tətbiq oluna biləcəyini düşünürlər.

Məsələn, texnologiyanın sürətli şarjı , yüksək çıxışı və möhkəm dayanıqlığı gündüz günəş elektrik stansiyalarında istehsal olunan artıq elektrik enerjisini gecələr şəbəkəyə enerji vermək üçün saxlamaq üçün yaxşı uyğunluq olduğunu göstərir. Həmçinin məlumat mərkəzlərində ehtiyat enerji üçün də faydalı ola bilər.

El-Kady bildirib ki, “Bu texnologiya batareyaların ömrünü onilliklərlə uzada bildiyindən, bərpa olunan enerjini saxlamaq və ya enerji kəsildikdə tez bir zamanda enerjini ələ keçirmək üçün ideal ola bilər. Bu, infrastrukturun dəyişən qiymətləri ilə bağlı narahatlıqları aradan qaldıracaq”.

Tədqiqatçılar nanoklaster istehsal texnikasının digər metallarla istifadəsini araşdırırlar. Onlar həmçinin daha bol olan, daha ucuz və gələcək istehsal üçün daha asan miqyaslandırılan təbii polimerlər kimi mal-qara zülalları üçün mümkün əvəzediciləri araşdırırlar.

Daha çox məlumat: Habibeh Bishkul və digərləri, Qabaqcıl Enerji Saxlama və Elektrokataliz üçün Zülal Şablonlu Fe və Ni Subnanoklusterləri, Kiçik (2025). DOI: 10.1002/smll.202507934

Jurnal məlumatı: Kiçik Kaliforniya NanoSistemlər İnstitutu tərəfindən təmin edilir