شارژ ۱۲ دقیقهای خودروهای برقی با باتری لیتیومفلزی
پژوهشگران کرهجنوبی از دستیابی به فناوری جدیدی در حوزه باتریهای لیتیومفلزی خبر دادهاند که میتواند مسیر خودروهای برقی را بهسوی شارژ فوقسریع و افزایش برد حرکتی هموارتر کند. این دستاورد ۲۵ فوریه از سوی Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) اعلام شد و گامی مهم در حل یکی از چالشهای اساسی باتریهای نسل آینده بهشمار میرود.
به گزارش interesting engineering، با شتابگرفتن روند جهانی برقیسازی حملونقل، خودروسازان بهدنبال باتریهایی هستند که هم چگالی انرژی بالاتری داشته باشند و هم در چند دقیقه شارژ شوند. باتریهای لیتیومفلزی بهعنوان گزینهای امیدوارکننده برای جایگزینی سامانههای لیتیومیونی مطرحاند زیرا از نظر تئوریک میتوانند انرژی بیشتری در واحد وزن ذخیره کنند. با این حال مسائل ایمنی و دوام تاکنون مانع تجاریسازی گسترده آنها شده است.
ریشه مشکل رشد دندریتها است
چالش اصلی این باتریها در زمان شارژ رخ میدهد. لیتیوم تمایل دارد ساختارهای سوزنیشکل بسیار ریزی موسوم به دندریت تشکیل دهد. این بلورهای تیز میتوانند لایههای داخلی باتری را سوراخ کرده و موجب اتصال کوتاه، افت سریع ظرفیت و حتی آتشسوزی شوند.
این پدیده با بیثباتی در ناحیه مرزی میان الکترود و الکترولیت مرتبط است؛ جایی که در اثر چرخههای مکرر شارژ و دشارژ سطح تماس ناهموار میشود و رسوب لیتیوم بهصورت نامنظم انجام میگیرد. حتی در شرایط عملیاتی متوسط نیز کنترل یکنواخت حرکت یونهای لیتیوم دشوار بوده است. در بسیاری از پژوهشها چگالی جریان حدود ۴ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع سطح بالایی محسوب میشود. عبور از این محدودیت شرط کلیدی برای استفاده واقعی از باتریهای لیتیومفلزی در خودروهای برقی ارزیابی میشود.
طراحی هوشمند در سطح ساختار الکترونیکی
این پژوهش با هدایت نامسون چوی و سونگبوم هونگ در KAIST و با همکاری تیمی از دانشگاه کره انجام شد. رویکرد پژوهشگران بهجای تغییرات متداول در مواد، بر طراحی در سطح ساختار الکترونیکی متمرکز بوده است.
آنها ترکیب تیوفن را به الکترولیت افزودند که منجر به شکلگیری یک لایه محافظ هوشمند روی سطح لیتیوم شد. برخلاف پوششهای ایستا این لایه میتواند ساختار الکترونیکی خود را بهصورت پویا بازآرایی کند. همزمان با حرکت یونهای لیتیوم، توزیع بار در این لایه تغییر میکند و مسیرهای پایدار و یکنواختی برای عبور یونها شکل میگیرد؛ سازوکاری که از تجمع ناهمگون و رشد دندریت جلوگیری میکند.
شبیهسازیهای مبتنی بر نظریه تابعی چگالی نشان داد این افزودنی در مقایسه با افزودنیهای تجاری رایج، پایداری مرزی بسیار بالاتری ایجاد میکند. در نتیجه رشد دندریت حتی در شرایط شارژ تهاجمی نیز بهطور موثر مهار شد.
شارژ ۱۲ دقیقهای در شرایط نزدیک به کاربرد واقعی
پژوهشگران موفق شدند شارژ سریع در مدت ۱۲ دقیقه را در چگالی جریان بیش از ۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع نشان دهند؛ سطحی که به نیازهای شارژ سریع و شتابگیری در خودروهای برقی نزدیک است.
برای بررسی رفتار داخلی باتری از میکروسکوپ نیروی اتمی درجا استفاده شد تا رسوب لیتیوم در مقیاس نانومتری مشاهده شود. نتایج نشان داد حتی در جریانهای بالا نیز رسوب و برداشت لیتیوم بهصورت یکنواخت در سطح انجام میشود که بیانگر پایداری مکانیکی و ساختاری سامانه است.
نکته مهم دیگر سازگاری این فناوری با کاتدهای متداول از جمله فسفات آهن لیتیوم، اکسید کبالت لیتیوم و اکسید نیکل کبالت منگنز لیتیوم است. این سازگاری میتواند امکان ادغام فناوری جدید را در خطوط تولید فعلی خودروهای برقی فراهم کند.
به گفته چوی این دستاورد صرفا بهبود یک ماده نیست بلکه حل یک مسئله بنیادی در باتریها از طریق طراحی ساختار الکترونیکی محسوب میشود و میتواند به فناوری پایهای باتریهای نسل بعد خودروهای برقی با شارژ سریع و عمر طولانی تبدیل شود.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی InfoMat منتشر شده است.
انتهای پیام/
