در ماه اوت گذشته، جلبک‌هاي فصلي در درياچه‌ي ايري ايالت اوهايو شروع به رشد کردند. آن‌ها آنقدر زياد شدند که شبکه‌ي آب شهر تولدو (Toledo) آلوده شد و نيم ميليون نفر بدون آب آشاميدني ماندند. در اين مدت، برخي از پژوهشگران نمونه‌هايي از اين جلبک‌ها را جمع آوري کردند. آن‌ها اکنون نشان داده اند که اگر اين جلبک‌ها را در دماي 700 تا 1000 درجه‌ي ساتني گراد در گاز آرگون حرارت دهند، آن‌ها تبديل به ماده‌اي به نام «کربن سخت» مي‌شوند. کربن سخت براي ساخت الکترودهاي کم هزينه و با ظرفيت بالا در باتري‌هاي سديمي ‌به کار مي‌رود.

اخيراً محققان به سرپرستي دکتر دا دنگ (Da Deng) از دانشگاه وين واقع در شهر ديترويد، مقاله‌اي را با موضوع استفاده از جلبک‌ها براي ذخيره‌ي انرژي شيميايي در ژورنال علوم و فناوري زيست محيطي منتشر کرده‌اند. دکتر دنگ مي‌گويد: «اين نوع جلبک‌ها که توسط سيانوباکتري ‌يا همان خزه‌ي سبزآبي توليد مي‌شود انسان‌ها، دام‌ها و حيات وحش را شديداً تهديد مي‌کند و مي‌تواند منجر به شيوع بيماري و حتي مرگ شود.

بحران آب شهر تولدو در سال 2014 قدرت نابودکنندگي اين جلبک‌ها را به خوبي نشان داد و هنوز فناوري کارآمدي براي اصلاح اين جلبک‌ها و بي خطر کردن آن‌ها براي محيط زيست وجود ندارد. اما تبديل اين مواد مضر به محصول‌هايي کابردي و گران‌قيمت با استفاده از فناوري‌هاي روز مي‌تواند براي جامعه و محيط زيست کار ايده آلي باشد.»

دنگ توضيح مي‌دهد که‌يکي از اين ابزارهاي کارآمد حوزه‌ي فناوري، مي‌تواند الکترود باتري‌هاي سديمي‌ باشد. اين باتري‌ها قابليت جايگزيني با باتري‌هاي ليتيمي ‌را دارند. او مي‌گويد: «ما نشان داديم که مي‌توان جلبک‌هاي تازه‌ي درياچه‌ي ايري را به الکترودهاي باتري سديمي ‌تبديل کرد. مي‌توان گفت اين کار نوعي تبديل زباله به گنج است. از طرفي با جمع آوري اين جلبک‌ها اثر خطرناک آن‌ها را بر محيط زيست از ميان برمي‌داريم و از طرف ديگر الکترودهاي «سبز» توليد مي‌کنيم که مي‌توانند سديم برگشت پذير را در باتري‌ها ذخيره کنند.»

براساس گفته‌هاي دنگ، باتري‌هاي سديمي‌ بر خلاف باتري‌هاي ليتيومي ‌هنوز در مراحل ابتدايي ورودشان به صنعت هستند.‌ يکي از چالش‌هايي که پيش روي توليد انبوه باتري‌هاي سديمي ‌وجود دارد‌ يافتن مواد اوليه‌ي مناسب براي ساخت الکترود است. الکترود باتري‌هاي ليتيومي‌ معمولاً از گرافيت ساخته مي‌شوند. اما اين ماده در باتري‌هاي سديمي ‌کاربرد ندارد، زيرا‌ يون‌هاي سديم بزرگ تر از ‌يون‌هاي ليتيوم هستند و نمي‌توانند در گرافيت جانشاني شوند. در عوض‌ يون‌هاي سديم با کربن سخت متناسب هستند. کربن سخت ساختاري منظم تر از گرافيت دارد و حاوي تعداد بيشتري از حفره‌هاي بزرگ است که مي‌تواند‌ يون‌هاي سديم را در خود ذخيره کند.

 
کربن سخت معمولاً از نفت خام ساخته مي‌شود، اما مي‌توان آن را از زيست توده‌هاي طبيعت نيز توليد کرد و براي اولين بار است که کربن سخت مستقيماً از جلبک‌ها بويژه خزه‌هاي سبزآبي توليد مي‌شود. از جمله مزاياي  استفاده از جلبک‌ها اين است که آن‌ها خيلي سريع رشد مي‌کنند و براي کشت احتياج به زمين و خاک ندارند. همچنين مي‌توان اين جلبک‌ها را طي ‌يک عمليات حرارتي ساده، بدون نياز به پالايش و‌ يا فرآيندهاي جانبي به کربن سخت تبديل کرد.

محققان پس از حرارت دادن جلبک‌ها، الکترودها را با ترکيبي از 80 درصد کربن سخت که از جلبک‌ها توليد شده بود و 10 درصد کربن سياه (براي افزايش رسانايي) و 10 درصد چسب توليد کردند. پس از‌ يک شب وقفه به منظور خشک شدن کامل الکترود، آن‌ها اين الکترود‌ها را در اندازه‌هاي مورد نظر خود درآوردند و باتري‌هاي سديمي ‌را با آن‌ها ساختند.

آزمايش‌ها نشان مي‌داد که اين الکترودها در ابتدا با ظرفيت 440 mAh/g کار مي‌کردند. اما با پايان چرخه‌ي اول و ورود به چرخه‌ي دوم،‌ يک افت ظرفيت غيرقابل بازگشت تا 230 mAh/g مشاهده شد. از چرخه‌ي دوم به بعد ظرفيت الکترودها تقريباً مقدار ثابتي باقي ماند. پژوهشگران دريافتند که کميت‌هايي مثل ظرفيت و مقاومت، به اين بستگي دارند که جلبک‌ها در چه درجه حرارتي به کربن سخت تبديل شده‌اند. اين نکته مي‌تواند در آينده به ساخت الکترودهاي کارآمدتر کمک کند. دنگ مي‌گويد: «پژوهش‌هاي ما در آينده بر بهينه سازي عملکردهاي الکتروشيميايي کربن سخت ساخته شده از جلبک‌ها معطوف خواهد شد.ما  موضوع افت ظرفيت باتري در چرخه‌ي اول کارش را بررسي مي‌کنيم و همچنين به دنبال راه‌هايي براي برداشت وسيع جلبک‌ها و تأثير آن بر اکوسيستم هستيم.»

در نهايت دانشمندان تأکيد مي‌کنند که اين فرآيند تبديل زباله به گنج، دو مشکل بزرگ را برطرف مي‌کند. اول اين که جلبک‌هاي خطرناک درياچه‌ي آيري جمع آوري مي‌شود و دومين دستاورد اين است که باتري‌هاي سديمي ‌که بسيار کارآمد تر از باتري‌هاي ليتيومي‌ هستند، جانشين آن‌ها مي‌شوند. براي مقايسه‌ي باتري‌هاي سديمي ‌و باتري‌هاي ليتيومي‌ خوب است بدانيد که هزينه‌ي برق باتري‌هاي ليتيمي ‌به ازاي هر کيلووات ساعت الکتريسيته در سال 2014 حدود 410 دلار بوده است. در حالي که هزينه‌ي برق مصرفي متوسط در ايالات متحده‌ي امريکا به ازاي هر کيلووات ساعت فقط 10 سنت است. از آن جايي که فراواني عنصر سديم بسيار بيشتر از ليتيوم است، انتظار مي‌رود ساخت اين باتري‌ها کاهش هزينه‌هاي زيادي را به همراه داشته باشد.

منبع:

TechXplore.com

منابع مفيد:

پوسته زمين-ويکيپديا

فراواني عناصر در پوسته زمين-ويکيپديا

Lake Erie Harmful Algal Bloom

Toxic Algea blooms-Video

Futrism.com

باتري

باتري ليمويي

بيومس

انرژي زيست توده

باتري آلومينيومي

بخش فيزيک- براي مطالب متنوع در مورد انرژي و مفاهيم اوليه و تاريخچه