مواد‌جدید امکان ساخت باتری‌های ایمپلنت شونده با دوام بیشتر را فراهم می‌کند

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : ضربان‌سازها و سایر دستگاه‌های پزشکی و همچنین پهپاد‌های طراحی شده برای مسافت‌های طولانی و حسگر‌های کنترل از راه دور ممکن است با این رویکرد جدید به تعویض باتری کمتری نیاز داشته باشند.در چند دهه اخیر، به دلیل تمرکز تحقیقات عمدتاً بر باتری‌‌های لیتیوم- یون قابل شارژ، که دامنه کاربرد وسیعی دارند؛ از خودرو‌های الکتریکی تا وسایل الکترونیکی قابل حمل، صرفه پذیری اقتصادی و ظرفیت شارژ باتری‌ها بهبود چشمگیری داشته‌اند. اما هیچ باتری قابل شارژی طی این مدت پیشرفت چندانی نداشته است؛ علیرغم نقش حیاتی آن‌ها در بسیاری از کاربردهای مهم همانند دستگاه‌های پزشکی که به روش جراحی در بدن انسان قرار داده می‌شوند[1]؛ مانند ضربان ساز‌ها.اکنون، محققان MIT راهی برای بهبود چگالی انرژی باتری‌های غیرقابل شارژ یا «اولیه[2]» ارائه نموده‌اند.

آن‌ها اظهار می‌دارند که این راهکار می‌تواند تا 50 درصد افزایش طول عمر مفید یا به‌طور مشابه برای مقدار معینی از توان یا ظرفیت انرژی،کاهش اندازه و وزن را ممکن نماید و در عین حال ایمنی را با افزایش کم یا بدون افزایش هزینه، بهبود بخشد.یافته‌های جدید که شامل جایگزینی الکترولیت باتری غیرفعال معمولی با ماده‌ای فعال برای تامین انرژی است، امروز ( 4 نوامبر 2022) در ژورنال مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم[3]، در مقاله‌ای توسط Haining Gao دانشجوی فوق دکتری MIT، Alejandro Sevillaدانشجوی فارغ التحصیل،Betar Gallant دانشیار مهندسی مکانیک و چهار نفر دیگر در MIT و Caltechگزارش شده است.Gallant اظهار می‌دارد: تعویض باتری در یک ضربان‌ساز یا سایر ایمپلنت‌های پزشکی نیاز به یک فرآیند جراحی دارد، بنابراین هر گونه افزایش طول عمر باتری‌های آن‌ها می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر کیفیت زندگی بیمار داشته باشد.

باتری‌های اولیه برای چنین کاربرد‌های ضروری مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند با اندازه و وزن معین حدود سه برابر باتری‌های قابل شارژ انرژی تولید کنند.Gao اظهار می‌دارد: این تفاوت در ظرفیت، باتری‌‌های اولیه را برای کاربرد‌هایی که در آن شارژ شدن امکان‌پذیر نیست یا غیرعملی است، حیاتی می‌کند.

مواد جدید در دمای بدن انسان کار می‌کنند، بنابراین برای ایمپلنت‌های پزشکی مناسب هستند.علاوه بر دستگاه‌های ایمپلنت شونده،با ادامه پیشرفت و ساخت باتری‌هایی که در دماهای کم‌تر به‌طور موثر کار می‌کنند، دامنه کاربرد‌ها می‌تواند به حسگرهای مورد استفاده در دستگاه‌های ردیابی محموله‌ها گسترش یابد؛ به‌عنوان مثال برای حصول اطمینان از حفظ دما و رطوبت مورد نیاز مواد غذایی یا دارو‌ها حین فرآیند حمل و نقل، یا در وسایل نقلیه هوایی یا زیرآبی کنترل از راه دور که باید برای مدت طولانی آماده به کار باشند، استفاده شوند.باتری‌های ضربان ساز معمولاً بین 5 تا 10 سال و اگر به عملکردهای ولتاژ بالا مانند دِفیبریلاسیون نیاز داشته باشند، حتی کمتر عمر می‌کنند.Gao  اظهار می‌دارد: با این حال، برای چنین باتری‌هایی،این فناوری بالغ در نظر گرفته می‌شود و «در 40 سال گذشته هیچ نوآوری عمده‌ای در شیمی سلولی بنیادی وجود نداشته است».Gao  اظهار می‌دارد: کلید نوآوری این تیم، نوع جدیدی از الکترولیت است که بین دو قطب الکتریکی باتری، کاتد و آند قرار دارد و امکان عبور حامل‌های شارژ از یک طرف به سمت دیگر را فراهم می‌نماید. این تیم دریافتند که با استفاده از یک ترکیب مایع فلوئوردار جدید، می‌توانند برخی از عملکردهای کاتد و الکترولیت را در یک ترکیب به نام کاتولیت[4] ادغام نمایند. این ابداع باعث کاهش بخش قابل توجهی از وزن باتری‌های اولیه معمول می‌شود.در حالیکه مواد دیگری غیر از این ترکیب جدید وجود دارد که از نظر تئوری می‌توانند در نقش کاتولیت مشابهی در یک باتری با ظرفیت بالا عمل کنند، Gallant  توضیح می‌دهد، این مواد دارای ولتاژ ذاتی کمتری هستند که با مواد سایر اجزای یک باتری ضربان ساز معمولی مطابقت ندارند، نوعی که به نام CFx شناخته می‌شود.

در یک باتری CFx معمولی، الکترولیت مایعی ضروری است که عبور ذرات باردار از یک الکترود به الکترود دیگر را ممکن می‌سازد. اما Gao  اظهار می‌دارد: این الکترولیت‌ها در واقع از نظر شیمیایی غیرفعال هستند. این بدان معناست که حدود 50 درصد از اجزای کلیدی باتری، عمدتاً الکترولیت،موادی غیرفعال‌هستند.اما در طراحی جدید و با استفاده از کاتولیت فلوئوردار، می‌توان وزن مواد غیر فعال را تا حدود 20 درصد کاهش داد.Gallant  اظهار می‌دارد: سلول‌های جدید هم‌چنین نسبت به دیگر انواع مواد شیمیایی پیشنهادی که از مواد کاتولیت سمی و خورنده استفاده می‌کنند،که فرمول مواد جدید چنین نیست، بهبودهای ایمنی را ارائه می‌نماید. او اظهار می‌دارد: آزمایش‌های اولیه، عمر انبارش ثابتی بیش از یک سال را نشان داده‌اند که ویژگی مهمی برای باتری‌های اولیه است.

تا کنون، این تیم هنوزبه‌‌طور تجربی به بهبود کامل 50 درصدی چگالی انرژی که در مراحل تجزیه و تحلیل پیش‌بینی شده بود، دست نیافته‌اند. Gallant  اظهار می‌دارد: که آن‌ها 20 درصد بهبود را نشان داده‌اند که دستاوردی مهم برای برخی از کاربرد‌ها خواهد بود. طراحی سلول هنوز به‌طور کامل بهینه نشده است، اما محققان می‌توانند عملکرد سلول را بر اساس عملکرد ماده فعال تخمین بزنند. او اظهار می‌دارد: ما می‌توانیم سطح عملکرد سلول بهبود یافته را حدود 50 درصد بالاتر از سلول CFX تخمین بزنیم.

دستیابی تجربی به آن سطح، هدف بعدی تیم است.Sevilla، دانشجوی دکترا مهندسی مکانیک،سال آینده بر روی آن کار متمرکز خواهد شد. او اظهار می‌دارد: من وارد این پروژه شدم تا سعی نمایم برخی از محدودیت‌های این که چرا ما نتوانسته‌ایم به چگالی انرژی کامل دست یابیم را درک نمایم. “نقش من، تلاش برای پر کردن شکاف‌ها از نظر درک واکنش اساسی بوده است.”Gao  اظهار می‌دارد: یکی از مزیت‌های اصلی ماده جدید این است که می‌توانند به آسانی در فرآیندهای تولید باتری موجود ادغام شوند؛ به‌عنوان جایگزینی ساده از یک ماده به جای ماده دیگر. Gao  اظهار می‌دارد: مذاکرات اولیه با تولیدکنندگان، این جایگزینی بالقوه آسان را تأیید می‌نماید. او اظهار می‌دارد: ماده اولیه اصلی برای اهداف کاربردی دیگر، به مقیاس تولید رسیده است و قیمت آن مشابه مواد مورد استفاده در باتری‌های CFx است. او اظهار می‌دارد: هزینه ساخت باتری‌ها با استفاده از مواد جدید، احتمالاً مشابه باتری‌های موجود خواهد بود. تیم برای ثبت اختراع این کاتولیت جدید، درخواست داده است و انتظار می‌رود که نمونه اولیه کامل آماده برای آزمایش در دستگاه‌های واقعی در حدود یک سال آینده، اولین مورد تجاری احتمالی در کاربردهای پزشکی باشد.محققان اظهار می‌دارند: در ادامه مسیر، افزایش احتمالی طول عمر مفید باتری‌های مورد استفاده در سایر کاربرد‌ها، از مزایای مواد جدید باشد؛ مانند کنتورهای هوشمند آب یا گاز که می‌توانند از راه دور خوانده شوند، همچنین دستگاه‌هایی مانند فرستنده‌های EZPASS. وسایل نقلیه زیردریایی و پهپاد‌ها به توان بیشتری نیاز دارند و بنابراین ممکن است توسعه مواد برای این کاربرد‌ها، به زمان بیشتری نیاز داشته باشد.

کاربردهای دیگر می‌تواند شامل باتری‌هایی برای تجهیزات مورد استفاده در مکان‌های دور مانند دکل‌های حفاری نفت و گاز باشد؛ از جمله دستگاه‌هایی که برای نظارت بر شرایط، داخل چاه‌ها فرستاده می‌شوند.Gustavo HOBOLD، Aaron MELEMD و Rui Guo در MIT و Simon Jones در Caltech از دیگر اعضای این تیم بودند. آزمایشگاه MIT لینکلن و دفتر تحقیقات ارتش،حامیان این پژوهش بودند.

[1] implantable medical devices

[2] Primary

[3] Proceedings of the National Academy of Sciences

[4] Catholyte

/https://news.mit.edu

ترجمه و ویرایش : مریم مهاجر