دانشمندان موفق شدهاند فرمولی ایدهآل برای ساخت باتریهای حالتجامد ارائه دهند؛ باتریهایی که سریع شارژ میشوند، ایمنی بالاتری دارند و عمر آنها بسیار طولانیتر از تصورات قبلی است. یک تیم تحقیقاتی در آلمان و هنگکنگ مادهای را شناسایی کردهاند که باعث میشود این نوع باتریها بسیار بیشتر از پیشبینیهای رایج دوام بیاورند.
این کشف حاصل یک جستوجوی هدایتشده با پایگاه داده بود که بیش از ۲۰ هزار ترکیب شیمیایی را بررسی کرد و در نهایت به یک گزینه برتر و بیرقیب رسید.
پشت صحنه این پژوهش علمی
این تحقیق به رهبری پروفسور دکتر فرانچسکو چیوتچی از دانشگاه بایرویت آلمان انجام شد. گروه پژوهشی او رفتار الکترودها را در شرایطی بررسی میکند که یونهای لیتیوم با سرعت بالا حرکت میکنند و واکنشهای سطحی رخ میدهد.
در طراحی باتریهای حالتجامد، یک الکترولیت سخت که وظیفه انتقال یونهای لیتیوم را دارد، در تماس مستقیم با الکترود فلزی لیتیوم قرار میگیرد.
مشکل اصلی در محل تماس مواد
در ناحیه تماس دو جامد، اتمها میتوانند با یکدیگر واکنش داده و ترکیبات جدیدی بسازند. این واکنشها مسیر حرکت یونهای لیتیوم را مسدود میکنند، مقاومت داخلی باتری را افزایش میدهند و در نهایت باعث افت ظرفیت و خرابی زودهنگام باتری میشوند.
راهحل مهندسی: افزودن یک لایه نازک محافظ
برای جلوگیری از این مشکل، مهندسان از یک لایه میانی بسیار نازک استفاده میکنند که بین الکترولیت و الکترود قرار میگیرد تا مانع واکنش مستقیم آنها شود.
چگالی انرژی بالاتر، یعنی ذخیره انرژی بیشتر در حجم ثابت، برای خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا هر گرم وزن اضافی هزینهبر است.
ویژگیهای یک لایه میانی ایدهآل
- عبور سریع یونهای لیتیوم
- جلوگیری از عبور الکترونها
- کاهش واکنشهای جانبی مخرب
حتی یک لایه میانی باکیفیت نیز در صورتی که اتصال مناسبی با دو طرف نداشته باشد، بهدلیل ایجاد شکافهای ریز دچار افزایش مقاومت و تنش مکانیکی میشود.
پایگاه دادهای که مثل صافی عمل میکند
تیم چیوتچی از روش غربالگری پرسرعت استفاده کرد؛ روشی که هزاران گزینه را بر اساس قوانین مشترک بهسرعت ارزیابی میکند. آنها نامزدهای بالقوه را از پایگاه داده عمومی Materials Project استخراج کردند.
در این غربالگری، پایداری ترمودینامیکی، سازگاری شیمیایی با هر دو سمت باتری و واکنشهای خودمحدودشونده اهمیت ویژهای داشت.
برنده نهایی: اکسیکلرید لیتیوم
در نهایت، اکسیکلرید لیتیوم با نام شیمیایی Li3OCl بهعنوان بهترین لایه میانی معرفی شد. این ماده به خانواده آنتیپروسکایتها تعلق دارد، رسانایی مناسبی برای یونهای لیتیوم دارد و در برابر واکنشهای زنجیرهای مخرب مقاوم است.
در این پژوهش، Li3OCl در کنار یک الکترولیت هالیدی به نام Li3InCl6 استفاده شد.
«این مطالعه رویکردی جدید برای توسعه باتریهای حالتجامد پیشرفته ارائه میدهد.» — پروفسور دکتر فرانچسکو چیوتچی
نتایج شگفتانگیز آزمایشها
باتریهایی که از لایه Li3OCl استفاده میکردند، پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ هنوز ۷۶ درصد ظرفیت خود را حفظ کردند. این عدد در باتریهای بدون این لایه فقط ۵ درصد بود.
حتی در شرایط شارژ و دشارژ سریع، باتریهای اصلاحشده بیش از ۱۶۰۰ چرخه بدون خرابی ناگهانی دوام آوردند.
چرا این موضوع برای رانندگان اهمیت دارد؟
طول عمر چرخهای بالا برای افرادی که قصد دارند خودروی خود را سالها نگه دارند، یک عامل تعیینکننده است. باتریای که دیرتر فرسوده شود، هزینه مالکیت خودرو را بهشدت کاهش میدهد.
محافظت از عمر باتری
باتری برای عملکرد صحیح به حرکت یونهای لیتیوم نیاز دارد. مشکل زمانی آغاز میشود که رسانایی الکترونی در سطح تماس بالا باقی بماند.
لایه Li3OCl در ابتدا واکنش میدهد، سپس ترکیبات عایقی مانند کلرید لیتیوم و اکسید لیتیوم بر جای میگذارد. این فرآیند که پسیواسیون نام دارد، سطح تماس را در وضعیت پایدار قفل میکند.
چرا مهندسان هنوز به لیتیوم فلزی علاقهمندند؟
الکترود لیتیوم فلزی میتواند چگالی انرژی را بهطور چشمگیری افزایش دهد. با این حال، تشکیل دندریتهای سوزنیشکل خطر اتصال کوتاه را بالا میبرد.
الکترولیتهای جامد خطر آتشسوزی را کاهش میدهند، اما همچنان باید در سطح الکترود پایدار بمانند.
روش غربالگری جدید چه کمکی میکند؟
مشاهده مستقیم لایههای پنهان درون باتری بسیار دشوار است. به همین دلیل پژوهشگران از محاسبات نظری مانند نظریه تابعی چگالی استفاده میکنند تا قبل از ساخت آزمایشگاهی، گزینهها را محدود کنند.
ترکیب این محاسبات با دادههای رسانایی منتشرشده، امکان شناسایی سریع لایههای میانی امیدوارکننده را فراهم میکند.
اهمیت الکترولیتهای هالیدی
الکترولیتهای هالیدی بهدلیل رسانایی بالا در دمای اتاق و تحمل ولتاژ زیاد مورد توجه قرار گرفتهاند. با این حال، آنها نیز میتوانند با لیتیوم فلزی واکنش دهند.
این غربالگری برای چند الکترولیت دیگر نیز لایههای مناسب پیشنهاد داد که نشان میدهد روش ارائهشده قابلیت تعمیم دارد.
این کشف برای سازندگان باتری چه معنایی دارد؟
برخی الکترولیتها رطوبتدوست هستند و در کارخانهها به محیطهای بسیار خشک نیاز دارند. همچنین باید مشخص شود آیا لایه میانی جدید ارزان، قابلپوششدهی یکنواخت و سازگار با طراحیهای مختلف است یا خیر.
مراحل بعدی شامل آزمایش در سلولهای بزرگتر، بازه دمایی گستردهتر و بررسی پیرشدگی بلندمدت است.
یک دستورالعمل علمی، نه یک محصول نهایی
دستاورد اصلی این پژوهش، چارچوب غربالگری آن است که به دانشمندان اجازه میدهد با مجموعهای از قوانین تکرارپذیر، بهترین لایههای میانی را سریع انتخاب کنند.
در نهایت، اگر بهبود رابطهای داخلی ادامه یابد، باتریهای حالتجامد لیتیوم-فلزی میتوانند شارژ سریع، عمر طولانی و ایمنی بالاتر را همزمان ارائه دهند.
این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده است.
منبع تصویر: Ciucci/Midjourney
نظر شما درباره آینده باتریهای حالتجامد چیست؟ دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید یا این مقاله را با علاقهمندان فناوری به اشتراک بگذارید.
