باتری‌های منیزیمی در برابر باتری لیتیومی ـ باتری‌های لیتیوم‌ یونی در حال حاضر از نمونه‌های بی ‌نظیر در دنیای باتری‌ها هستند. اگر دانشمندان بتوانند مشکل الکترولیت‌‌های مؤثر را حل کنند، باتری‌های منیزیمی پتانسیل پیشی گرفتن از باتری‌های لیتیوم ‌یونی را دارند. در همین راستا محققان آزمایشگاه‌‌های «برکلی» (Berkeley)، «موسسه فناوری ماساچوست» (MIT) و آزمایشگاه ملی «آرگون» (Argonne) در یک همکاری مشترک ماده جامدی را ایجاد کردند که به نظر می ‌رسد یکی از سریع ‌ترین رساناهای منیزیم ـ یون باشد و می ‌تواند به تولید باتری‌های ایمن ‌تر و کارآمدتر منجر شود.
باتری‌‌های لیتیومی می ‌توانند هر وسیله ‌ای، از گوشی تلفن گرفته تا خودروهای برقی را شارژ کنند و با وجودی‌ که این فلز در حال حاضر به همین منظور به کار می ‌رود اما هنوز هم فضای کافی برای بهبود آن از نظر کارایی و قیمت وجود دارد. از سوی دیگر منیزیم ظرفیت ذخیره انرژی بالاتری نسبت به لیتیوم دارد و در طبیعت به وفور یافت می ‌شود و این بدان معناست که دستگاه‌هایی که با آن تولید می ‌شوند، ارزان ‌تر بوده و تولید آن‌ها راحت‌‌تر است. تنها مانع موجود در کاربرد منیزیم در باتری‌‌ها، الکترولیت است که بار الکترولیتی را میان آند و کاتد برقرار می ‌کند.
پژوهش اخیر شرکت «تویوتا» و «مؤسسه فناوری کارلسروهه» (‌KIT) با هدف بهبود باتری‌‌های الکترولیت مایع صورت گرفت، اما این الکترولیت تمایل به ایجاد خوردگی در سایر قسمت‌‌های باتری دارد. بنابراین محققان در مطالعه جدید به دنبال راهکاری برای حل این مشکل هستند. نتیجه نهایی این تحقیق، تولید ماده‌‌ای است که «منیزیم اسکاندیم سلناید اسپینل» نامیده می ‌شود و در واقع یک الکترولیت حالت جامد است که به یون‌‌های منیزیم اجازه حرکت راحت درون ماده را می ‌دهد.
تیم تحقیقاتی دریافتند که این الکترولیت به اندازه یک ماده رسانا مؤثر است و می ‌تواند در برخی باتری‌های لیتیومی به کار ‌رود. بنا به مطالعات نظری ابتدا پیش ‌بینی شد که این ماده به خوبی کار می ‌کند و بدین منظور آزمایشات طیف ‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ‌ای اجرا شد. این آزمایشات برای تشخیص حرکت یون‌‌های منیزیم و لیتیوم عبوری از یک ماده استفاده می‌ شود اما به علت پیچیده بودن ماده تولیدی جدید، تفسیر داده‌‌ها با مشکل مواجه شد.
«پیری ‌مانوئل کانیپا»)، سرپرست تیم تحقیقاتی گفت: “اساسا در این باره پروتکلی وجود ندارد. این یافته‌ها تنها در صورتی قابل اجرا هستند که از یک رویکرد ترکیبی چند روشی (رزونانس مغناطیسی هسته ‌ای حالت جامد و اندازه‌ گیری سنکروترون در آزمایشگاه آرگون) به همراه مشخصات الکتروشیمیایی رایج استفاده کرد.قبل از این که مواد منیزیمی در یک باتری استفاده شود، تعدادی پیچ ‌خوردگی باید صاف شوند.در حال حاضر نشت الکترونی اندکی نیز مشاهده می‌ شود، اما بهبود حرکت یونی برای یک باتری تجاری حالت جامد، امیدوار کننده است، زیرا نسبت به دستگاه‌‌های مرسوم با الکترولیت مایع ایمن‌ تر هستند.”
به کارگیری این روش در ساخت باتری‌ها کمی طول می‌کشد. این نخستین بار است که یک ماده جامد با قابلیت حرکت آسان منیزیم درون آن ساخته می ‌شود. با توجه به این که منیزیم حرکت کندتری درون بیشتر جامدات دارد، دستیابی به این ماده جدید انتظار نمی ‌رفت.
یافته‌های این تحقیق در مجله Nature Communicationsمنتشر شده است.
افزایش سرعت شارژ باتری‌ها ـ باز هم گرافن یکی از قابلیت‌‌های منحصر به فرد خود را به نمایش گذاشته است و این بار محققان توانسته ‌اند باتری‌های لیتیوم‌ ـ یونی را با استفاده از این گونه از کربن متحول کنند. محققان مؤسسه فناوری پیشرفته سامسونگ موفق به ایجاد یک تغییر بنیادین در ظرفیت و سرعت شارژ باتری‌‌های لیتیوم‌ ـ یونی شده‌‌اند.
گرافن یک لایه‌ ای از اتم کربن به ضخامت یک اتم است، انعطاف ‌پذیری، استقامت و استحکام شیمیایی را همزمان دارد و به علاوه میزان رسانایی آن ۱۰۰ برابر مس است و الکترون ‌ها را با سرعت ۱۴۰ برابری سیلیکون انتقال می ‌دهد که نشان دهنده قدرت بالای آن در شارژ سریع است. این قابلیت ‌ها نظر محققان سامسونگ را به خود جلب کرده است و آن ها موفق شده‌ اند با ترکیب گرافن همراه با موادی مثل مس، سیلیکون و آسفالت باتری‌ هایی بسازند که می ‌توانند همه چیز را متحول کنند.
این محققان با همکاری تیمی از مهندسان شیمی و زیستی از دانشگاه ملی سئول کره جنوبی موفق شدند توپ‌ هایی از جنس گرافن را به شکل ذرت بو داده درآورده و از آن به عنوان آند باتری استفاده کنند.
این محققان از یک صفحه نیکلی یکپارچه به عنوان کاتد و محافظ آند استفاده کرده ‌اند که واکنش‌ های شدید در آن انجام شده و قابلیت رسانایی بیشتری را در اختیار باتری قرار می ‌دهد.به گفته این تیم مدت زمان شارژ شدن یک باتری لیتیوم ـ یونی با استفاده از گرافن از یک ساعت به ۱۲ دقیقه کاهش می ‌یابد و بعلاوه ظرفیت آن ۴۵ درصد افزایش یافته و می ‌تواند تا دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت کند. دکتر «سون این هیوک» (Son In Hyuk) محقق ارشد این تحقیق گفت: “ما توانسته ایم با استفاده از ماده پرکاربرد گرافن یک کارکرد جدید را با قیمت مناسب معرفی کنیم. در بازار باتری ‌های الکترونیکی که با سرعت بسیار بالایی در حال رشد و پیشرفت است ما موفق شدیم قابلیت‌‌های باتری‌های لیتیوم ـ یونی را تا حد قابل قبولی افزایش دهیم و همچنین به مطالعه و تحقیقات خود در بهبود این قابلیت‌ ها ادامه خواهیم داد.”نتایج این تحقیق در ژورنال علمی Nature Communicationمنتشر شده است.
شارژ باتری در ۵ دقیقه ـ فناوری های باتری های لیتیوم یونی قدیمی شده و به نظر می رسد کارایی سابق را نداشته باشد. به همین دلیل تحقیقاتی برای به کارگیری نسخه های مختلفی از آن مانند باتری لیتیوم ـ هوا و لیتیوم فلز در حال انجام است. اکنون محققان دانشگاه رایس با کمک یک ماده عجیب سعی دارند نسخه ای از باتری لیتیوم فلزی را بسازند. محققان متوجه شده اند افزودن آسفالت به آند باتری لیتیوم فلزی به شارژ سریع تر می انجامد. محققان برای ساخت باتری، «گیلسونیت فرآوری نشده» (یکی از مشتقات آسفالت) را با رشته های نانو گرافن ترکیب کردند سپس با فلز لیتیوم روی این کامپوزیت را پوشاندند تا یک آند به وجود بیاورند. در مرحله نهایی این آند با کاتد سولفور کربن کنار هم قرار داده شدند. محققان باتری جدید را بیش از ۵۰۰ بار آزمایش کردند و متوجه شدند باتری جدید ثبات بیشتری دارد. تراکم برق این باتری ۱۳۲۲وات به ازای هر کیلوگرم و تراکم انرژی آن ۹۴۳ وات ساعت بر کیلوگرم است. این بدان معناست که این نسخه نسبت به باتری های لیتیوم یونی استاندارد سریع تر شارژ می شود. ظرفیت این باتری بسیار زیاد است و می تواند فقط در ۵ دقیقه شارژ باتری را تکمیل کند.

code