مدل جدید راه حل های بالقوه ای برای چالش های باتری نسل بعد ارائه می دهد

یک مدل ریاضی جدید، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی بسیار امیدوارکننده ای را برای باتری‌های لیتیوم-فلزی گرد هم آورده است و راه‌حل‌های قابل قبول و تازه‌ای برای مشکلی که باعث تخریب و خرابی می‌شود در اختیار محققان قرار می‌دهد.

یک مطالعه جدید توسط محققان دانشگاه استنفورد مسیری رو به جلو برای ساخت باتری‌های لیتیوم فلزی بهتر و ایمن‌تر را روشن می‌کند.

باتری‌های لیتیوم فلزی، سلول‌های لیتیوم یون قابل شارژ که به طور گسترده در وسایل الکترونیکی قابل حمل و خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به‌عنوان نسل بعدی دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، نویدی فوق‌العاده می دهند. در مقایسه با دستگاه های لیتیوم یونی، باتری های لیتیوم-فلزی انرژی بیشتری نگه می دارند، سریع تر شارژ می شوند و وزن بسیار کمتری دارند.

با این حال، تا به امروز، استفاده تجاری از باتری های لیتیوم فلزی قابل شارژ محدود بوده است. دلیل اصلی تشکیل “دندریت ها” است – ساختارهای نازک، فلزی و درخت مانند که با تجمع فلز لیتیوم روی الکترودهای داخل باتری رشد می کنند. این دندریت ها عملکرد باتری را کاهش می دهند و در نهایت منجر به خرابی می شوند که در برخی موارد حتی می تواند به طور خطرناکی آتش سوزی کند.

مطالعه جدید به این مشکل دندریتی از دیدگاه نظری پرداخت. همانطور که در مقاله منتشر شده در مجله The   Electrochemical Society  توضیح داده شد، محققان استنفورد یک مدل ریاضی ایجاد کردند که فیزیک و شیمی دخیل در تشکیل دندریت را گرد هم می آورد.

این مدل این بینش را ارائه می‌دهد که تعویض الکترولیت‌های جدید – محیطی که از طریق آن یون‌های لیتیوم بین دو الکترود داخل باتری حرکت می‌کنند – با ویژگی‌های خاصی می‌تواند رشد دندریت را کند یا حتی متوقف کند.

وییو لی، نویسنده ارشد این مطالعه، دانشجوی دکترا در مهندسی منابع انرژی که توسط پروفسور دانیل تارتاکوفسکی و حمدی چلپی توصیه شده است، گفت: “هدف مطالعه ما کمک به طراحی باتری های لیتیوم-فلزی با طول عمر بیشتر است.” چارچوب ریاضی ما فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی کلیدی در باتری‌های لیتیوم فلزی را در مقیاس مناسب محاسبه می‌کند.

چلپی، یکی از نویسندگان این مطالعه، استاد مهندسی منابع انرژی در دانشکده زمین، انرژی و استنفورد گفت: «این مطالعه برخی از جزئیات خاص را در مورد شرایطی که تحت آن دندریت ها می توانند تشکیل شوند و همچنین مسیرهای ممکن برای سرکوب رشد آنها ارائه می دهد. آکادمی علوم انرژی و محیطی استنفورد (استنفورد ارث).

جهتی برای طراحی

آزمایش‌گران مدت‌ها تلاش کرده‌اند عواملی که منجر به تشکیل دندریت می‌شوند را درک کنند، اما کار آزمایشگاهی کاری فشرده و تفسیر نتایج دشوار است. با درک این چالش، محققان یک نمایش ریاضی از میدان‌های الکتریکی داخلی باتری‌ها و انتقال یون‌های لیتیوم از طریق مواد الکترولیت، در کنار سایر مکانیسم‌های مرتبط ایجاد کردند.

با در دست داشتن نتایج این مطالعه، تجربی‌گرایان می‌توانند بر ترکیب‌های معقول مصالح فیزیکی و معماری تمرکز کنند. چلپی گفت: «امید ما این است که سایر محققان بتوانند از این راهنمایی‌های مطالعه ما برای طراحی دستگاه‌هایی استفاده کنند که ویژگی‌های مناسبی داشته باشند و دامنه آزمون و خطا و تغییرات آزمایشی را که باید در آزمایشگاه انجام دهند، کاهش دهند.»

به طور خاص، استراتژی‌های جدید برای طراحی الکترولیت که توسط این مطالعه درخواست شده است، شامل دنبال کردن موادی است که ناهمسانگرد هستند، به این معنی که خواص متفاوتی را در جهات مختلف از خود نشان می‌دهند. یک مثال کلاسیک از مواد ناهمسانگرد، چوب است که در جهت دانه قوی تر است و به صورت خطوط در چوب قابل مشاهده است، در مقایسه با دانه. در مورد الکترولیت های ناهمسانگرد، این مواد می توانند فعل و انفعال پیچیده بین انتقال یون و شیمی سطحی را تنظیم کنند و از تجمعی که منجر به تشکیل دندریت می شود، جلوگیری کنند. محققان پیشنهاد می کنند که برخی از کریستال ها و ژل های مایع این ویژگی های مورد نظر را نشان می دهند.

رویکرد دیگری که توسط این مطالعه شناسایی شده است بر روی جداکننده‌های باتری متمرکز است – غشاهایی که از تماس و اتصال کوتاه الکترودهای انتهای مخالف باتری جلوگیری می‌کنند. می‌توان انواع جدیدی از جداکننده‌ها را طراحی کرد که دارای منافذی باشند که باعث می‌شوند یون‌های لیتیوم به روشی ناهمسانگرد از الکترولیت به عقب و جلو عبور کنند.

ساخت و آزمایش

این تیم مشتاقانه منتظر دیدن سایر محققین علمی است که “سرنخ های” شناسایی شده در مطالعه خود را دنبال کنند. این مراحل بعدی شامل ساخت دستگاه‌های واقعی است که بر فرمول‌های آزمایشی الکترولیت جدید و معماری باتری تکیه می‌کنند، سپس آزمایش می‌کنند که ممکن است موثر، مقیاس‌پذیر و مقرون به صرفه باشد.

تارتاکوفسکی، استاد مهندسی منابع انرژی، یکی از نویسندگان این مقاله در استنفورد گفت: «مقدار عظیمی از تحقیقات در زمینه طراحی مواد و تأیید آزمایشی سیستم‌های باتری پیچیده انجام می‌شود، و به طور کلی، چارچوب‌های ریاضی مانند آنچه که توسط Weiyu رهبری می‌شود تا حد زیادی در این تلاش گم شده‌اند.»

به دنبال این آخرین نتایج، تارتاکوفسکی و همکارانش در حال کار بر روی ساخت یک نمایش مجازی کامل – معروف به “آواتار دیجیتال” – از سیستم‌های باتری لیتیوم فلزی یا DABS هستند.

تارتاکوفسکی می‌گوید: «این مطالعه بلوک اصلی ساختمان DABS، یک «آواتار دیجیتال» یا کپی باتری‌های لیتیوم فلزی است که در آزمایشگاه ما در حال توسعه است. “با DABS، ما به پیشرفت هنر این دستگاه های ذخیره انرژی امیدوار کننده ادامه خواهیم داد.”

برای مشاهده منبع مقاله کلیک کنید