طراحی نسل جدیدی از باتری های لیتیوم یونی با استفاده از «ماده‌ای رویایی»!

اخیرا محققین با استفاده از ترکیبی جدید در آند باتری های لیتیومی، توانسته‌اند کارایی آن را چند برابر کنند!

پیشرفت در طراحی و بازدهی باتری‌ها همواره موضوع داغ و چالش برانگیز محققان در سال های اخیر بوده است. در این میان، همواره از باتری های لیتیومی به عنوان گل سر سبد باتری ها یاد شده است. اخیراً دانشمندان دانشگاه ایالت واشنگتن به ماده ای دست پیدا کرده اند که از آن به عنوان «ماده رویایی» یاد می کنند. این ماده به این دلیل «رویایی» نام گذاری شده که با جایگرینی در آند باتری های لیتیومی، باعث ایجاد تغییری شگرف در عملکرد این دسته از باتری ها شده است.

در سال های اخیر باتری هایی که تحت عنوان باتری لیتیومی عرضه شده اند، از لیتیوم به عنوان کاتد و مواد دیگری نظیر گرافیت، مس، منگنز و … در آند بهره برده‌اند، اما دانشمندان به پیشرفت تا این مرحله اکتفا نکرده و به جای مو، پیچش مو را دیده‌اند! این بدین مفهوم است که امروزه بحث بر سر استفاده از لیتیوم در آند این باتری‌هاست.

2

دقیــقه مطالعه

مزایا و کاربرد باتری گرافن چیست؟ و چگونه ساخته می‌شود؟

باتری‌های گرافن ساختاری مشابه باتری‌های معمولی دارند که از یک محلول الکترولیت و ...

هر گاه که یک باتری لیتیوم یونی شارژ و تخلیه می شود، یون های لیتیوم مرتبا بین قطب های کاتد و آند جابه‌جا می‌شوند. امروزه این آندها از مواد ترکیبی مثل گرافیت و مس تولید می‌شوند، لیتیوم خالص بالاترین ظرفیت انرژی را در میان مواد فلزی و غیر فلزی جامد فراهم می‌کند و همین موضوع دانشمندان را وسوسه کرده تا در گام بعدی به طراحی آند باتری های لیتیومی از جنس خود لیتیوم روی آورند.

محققی به نام مین کیو سونگ در این باره می‌گوید:

«اگر ما بتوانیم مستقیما از فلز لیتیوم استفاده کنیم، قادر خواهیم بود تا دانسیته انرژی باتری ها را به طور چشمگیری افزایش دهیم.»

تلاش هایی که تاکنون برای سازگاری لیتیوم به عنوان آند در باتری‌های لیتیومی انجام گرفته است، به علت مشکلات ایمنی ایجاد شده در این باتری ها تا به امروز چندان موثر واقع نشده است. یکی از مشکلاتی که فلز لیتیوم ایجاد می کند، این است که در هنگام رفت و آمد بین کاتد و آند، بر روی سطح ایجاد دندریت می‌کند. این زائده های شاخک مانند سبب وقوع اتصال کوتاه و آتش سوزی باتری می شوند یا در بهترین حالت عمر آن را بسیار کوتاه می‌کنند!

اما سونگ رهبر این گروه تحقیقاتی مدعی است که این گروه مشغول تحقیق بر روی توسعه‌ی نوع جدیدی از باتری های لیتیوم یونی هستند که بر این مشکل فائق می‌آید. کاتد این باتری از جنس کربن متخلخل ساخته شده و با سولفید سلنیوم (SeS₂) پر شده است. علاوه بر این از ترکیبی از محلول های الکترولیتی استفاده شده که یون های لیتیومی بدون ایجاد هیچ مزاحمتی می توانند بین آند و کاتد جابه‌جا شوند.

ترکیبی که این گروه تحقیقاتی به آن دست یافته باعث تشکیل لایه ای چگال، مستحکم و رسانا بر روی سطح آند لیتیومی می شود. با این کار نه تنها در طول شارژ و دشارژ جریان پیوسته ای در باتری برقرار می‌شود، بلکه از تشکیل دندریت های مزاحم و خطرناک نیز جلوگیری می‌گردد.

در آزمایش های صورت پذیرفته روی باتری‎‌های لیتیومی، این گروه مدعی شده که این باتری‌ها قادر هستند تا ۵۰۰ سیکل شارژ و دشارژ شوند، بدون این که در بازدهی باتری مشکلی ایجاد شود.

اما این تمام ماجرا نیست! هدف دیگری که دانشمندان از به کارگیری لیتیوم در این باتری ها دارند، استفاده از الکترولیت‌های جامد به جای مایع در نسل های آینده این باتری هاست. این دسته از باتری ها با نام باتری‌های حالت جامد «Solid State Batteries» شناخته خواهند شد. گرچه دانشمندانی از دانشگاه های MIT و دانشگاه Deakin هم اکنون درحال تحقیق بر روی این باتری ها هستند، اما بعید است تا چند سال آینده این باتری ها تولید و تجاری سازی شوند.

سونگ اضافه می‌کند: «اگر باتری‌های لیتیومی با آندهای جدید لیتیومی تجاری سازی شوند، مسیری جدید را در توسعه‎‌ی باتری‌هایی پرانرژی با چرخه‌ی طول عمر بالا خواهند گشود.»

Reference

Washington State University