طراحی باتری حالت جامدی که در چند دقیقه شارژ می شود و هزاران چرخه دوام می آورد

تحقیقات راه را برای باتری های لیتیوم فلزی بهتر هموار می کند

محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان پاولسون (SEAS) باتری فلزی لیتیوم جدیدی ساخته اند که می تواند حداقل ۶۰۰۰ بار -بیش از هر سلول باتری کیسه ای دیگر- در چند دقیقه شارژ و دشارژ شود و در یک ماده دوباره شارژ شود.

این تحقیق نه تنها روش جدیدی را برای ساخت باتری‌های حالت جامد با آند فلزی لیتیوم توصیف می‌کند، بلکه درک جدیدی از مواد مورد استفاده برای این باتری‌های بالقوه انقلابی ارائه می‌دهد.

شین لی، دانشیار علوم مواد در SEAS و نویسنده ارشد این مقاله گفت: باتری‌های آند فلزی لیتیوم جام مقدس باتری‌ها در نظر گرفته می‌شوند، زیرا ظرفیت آن‌ها ده برابر آندهای گرافیتی تجاری است و می‌توانند مسافت رانندگی خودروهای الکتریکی را به شدت افزایش دهند. “تحقیق ما گام مهمی به سوی باتری های حالت جامد کاربردی تر برای کاربردهای صنعتی و تجاری است.”

یکی از بزرگترین چالش ها در طراحی این باتری ها، تشکیل دندریت در سطح آند است. این ساختارها مانند ریشه در الکترولیت رشد می کنند، مانع جداکننده آند و کاتد را سوراخ می کنند و باعث کوتاه شدن باتری یا حتی آتش گرفتن می شوند.

این دندریت ها زمانی تشکیل می شوند که یون های لیتیوم در حین شارژ شدن از کاتد به آند حرکت می کنند و در فرآیندی به نام آبکاری به سطح آند متصل می شوند. آبکاری روی آند یک سطح ناهمگون و غیر همگن مانند پلاک روی دندان ایجاد می کند و به دندریت ها اجازه می دهد تا ریشه بدهند. هنگامی که تخلیه می شود، آن پوشش پلاک مانند باید از آند جدا شود و زمانی که آبکاری ناهموار است، روند کنده شدن می تواند آهسته باشد و منجر به ایجاد چاله هایی شود که در شارژ بعدی، آبکاری ناهموار بیشتری ایجاد می کند.

در سال ۲۰۲۱، لی و تیمش با طراحی یک باتری چندلایه که مواد مختلف با پایداری‌های متفاوت را بین آند و کاتد قرار می‌داد، راهی برای مقابله با دندریت‌ها ارائه کردند. این طراحی چندلایه و چند ماده ای از نفوذ دندریت های لیتیوم نه با متوقف کردن کامل آنها، بلکه با کنترل و مهار آنها جلوگیری می کرد.

در این تحقیق جدید، لی و تیمش با استفاده از ذرات سیلیکون به اندازه میکرون در آند، تشکیل دندریت ها را متوقف می کنند تا واکنش لیتیاسیون را منقبض کنند و آبکاری همگن لایه ضخیم فلز لیتیوم را تسهیل کنند.

در این طرح، زمانی که یون‌های لیتیوم در حین شارژ از کاتد به آند حرکت می‌کنند، واکنش لیتیاسیون در سطح کم‌عمق منقبض می‌شود و یون‌ها به سطح ذره سیلیکون متصل می‌شوند اما بیشتر نفوذ نمی‌کنند. این به طور قابل توجهی متفاوت از شیمی باتری های لیتیوم یون مایع است که در آن یون های لیتیوم از طریق واکنش لیتیاسیون عمیق نفوذ می کنند و در نهایت ذرات سیلیکون را در آند از بین می برند.

اما، در یک باتری حالت جامد، یون‌های روی سطح سیلیکون منقبض می‌شوند و تحت فرآیند دینامیکی لیتیاسیون قرار می‌گیرند تا پوشش فلزی لیتیومی را در اطراف هسته سیلیکون تشکیل دهند.

لی گفت: «در طراحی ما، فلز لیتیوم در اطراف ذرات سیلیکون پیچیده می‌شود، مانند یک پوسته شکلات سخت در اطراف هسته فندق در یک ترافل شکلاتی.»

این ذرات پوشش داده شده یک سطح همگن ایجاد می کنند که در آن چگالی جریان به طور مساوی توزیع می شود و از رشد دندریت ها جلوگیری می کند. و از آنجایی که آبکاری و جداسازی می تواند به سرعت روی یک سطح یکنواخت اتفاق بیفتد، باتری می تواند تنها در حدود ۱۰ دقیقه شارژ شود.

محققان نسخه ای از باتری به اندازه تمبر پستی ساختند که ۱۰ تا ۲۰ برابر بزرگتر از سلول سکه ای است که در اکثر آزمایشگاه های دانشگاه ساخته شده است. این باتری پس از ۶۰۰۰ چرخه ۸۰ درصد ظرفیت خود را حفظ کرد و از دیگر باتری های کیسه ای موجود در بازار امروز بهتر عمل کرد. این فناوری از طریق دفتر توسعه فناوری هاروارد به Adden Energy، یک شرکت اسپین آف هاروارد که توسط لی و سه فارغ التحصیل هاروارد تأسیس شده است، مجوز داده شده است. این شرکت فناوری را برای ساخت باتری کیسه‌ای در اندازه تلفن هوشمند افزایش داده است.

لی و تیمش همچنین خواصی را مشخص کردند که به سیلیکون اجازه می‌دهد انتشار لیتیوم را منقبض کند تا فرآیند پویا را تسهیل کند و به آبکاری همگن لیتیوم ضخیم کمک کند. آنها سپس یک توصیفگر ویژگی منحصر به فرد برای توصیف چنین فرآیندی تعریف کردند و آن را برای تمام مواد معدنی شناخته شده محاسبه کردند. با انجام این کار، تیم ده‌ها ماده دیگر را نشان داد که به طور بالقوه می‌توانند عملکرد مشابهی داشته باشند.

لی گفت: «تحقیقات قبلی نشان داده بود که مواد دیگر، از جمله نقره، می‌توانند به عنوان مواد خوبی در آند برای باتری‌های حالت جامد عمل کنند. “تحقیق ما یکی از مکانیسم های احتمالی این فرآیند را توضیح می دهد و مسیری برای شناسایی مواد جدید برای طراحی باتری ارائه می دهد.”

این تحقیق توسط لوهان یه، یانگ لو، ییچائو وانگ و جیانیوان لی انجام شده است و توسط اداره فناوری خودروهای انرژی، صندوق راه حل های تغییر آب و هوا هاروارد و صندوق ابتکار علم داده هاروارد پشتیبانی می شود.

شرکت دانش بنیان توسعه فناوری ادیب خدمات احیا الکتروشیمایی باتری ها را با ثبت اختراع، به صورت انحصاری ارائه می دهد و از این رو در حوزه بهبود طول عمر باتری ها یکی از شرکت های پیشرو در کشور و منطقه است.
برای مشاهده منبع مقاله کلیک کنید.