جهش در باتری خودروهای برقی؛ حفظ ۸۰٪ ظرفیت با فناوری حالتجامد
پژوهشگران آمریکایی موفق به توسعه نوعی باتری حالتجامد گوگردی شدهاند که میتواند پس از صدها چرخه شارژ و تخلیه عملکرد خود را تا حد قابلتوجهی حفظ کند؛ دستاوردی که میتواند یکی از موانع اصلی تجاریسازی این فناوری را برطرف کند.
به گزارش interesting engineering، بر اساس اعلام آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) این باتریهای پیشرفته توانستهاند پس از ۱۰۰ چرخه شارژ-دشارژ عملکرد کامل خود را حفظ کنند و حتی پس از ۴۵۰ چرخه نیز بیش از ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود را نگه دارند. این در حالی است که تمامی این نتایج در دمای اتاق و بدون نیاز به گرمایش خارجی به دست آمده است.
عبور از محدودیتهای نظری چگالی انرژی
در این پژوهش دانشمندان نشان دادهاند که چگالی انرژی این باتریها حتی میتواند از محدودیتهای نظری پیشین نیز فراتر رود. تمرکز اصلی این تحقیق بر شیمی باتریهای لیتیوم-گوگرد بوده است؛ سامانهای که به دلیل استفاده از مواد فراوان در طبیعت گزینهای مقرونبهصرفه برای تولید انبوه محسوب میشود.
محققان با دستیابی به این نتایج دو چالش کلیدی در مسیر توسعه باتریهای حالتجامد یعنی هزینه تولید و عملکرد پایدار را تا حد زیادی برطرف کردهاند.
نقش کلیدی اختلاط پرسرعت در بهبود عملکرد
یکی از نوآوریهای مهم این پژوهش استفاده از فرآیند اختلاط پرسرعت مواد باتری است. در این روش مواد با سرعت ۲ هزار دور در دقیقه و به مدت پنج ساعت با یکدیگر ترکیب شدند. این فرآیند باعث ایجاد پدیدهای موسوم به تفکیک هالیدی (halide segregation) شد.
در نتیجه این فرآیند مکانوشیمیایی، گرما و نیروهای برشی ایجادشده موجب شدند اتمهای لیتیوم که به عناصر هالیدی مانند کلر یا برم متصل بودند به سطح مشترک میان الکترولیت جامد و کاتد منتقل شوند.
حل چالش اساسی در طراحی باتریهای حالتجامد
یکی از مشکلات اساسی باتریهای حالتجامد، ضعف در اتصال میان الکترولیت جامد و کاتد است؛ ناحیهای که به رابط شناخته میشود. این ضعف میتواند مانع حرکت یونها شده و عملکرد باتری را کاهش دهد.
در همین راستا خلیل امین از پژوهشگران ارشد این پروژه تاکید کرده است که مدیریت این ناحیه رابط کلید اصلی برای توسعه موفق این نوع باتریهاست. بهبود جریان یونها در این بخش امکان حفظ عملکرد باتری در صدها چرخه را فراهم میکند.
مزایای ساختاری باتریهای حالتجامد
باتریهای حالتجامد برخلاف نمونههای رایج لیتیوم-یونی فاقد اجزای مایع یا ژلی هستند و از یک کاتد یک آند و یک الکترولیت کاملا جامد تشکیل شدهاند. این ساختار مزایایی همچون ایمنی بالاتر، وزن کمتر و چگالی انرژی بیشتر را به همراه دارد.
با این حال ضعف در ارتباط داخلی اجزا همواره یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری بوده است.
کاربرد در مواد مختلف و تایید در مقیاس اتمی
پژوهشگران علاوه بر گوگرد کاتدهایی از جنس سلنیوم و تلوریوم را نیز مورد آزمایش قرار دادند. نتایج نشان داد که این مواد نیز رفتار مشابهی در فرآیند تفکیک هالیدی دارند و بهبود عملکرد مشابهی را تجربه میکنند. این موضوع نشان میدهد که روش اختلاط پرسرعت میتواند بهعنوان راهکاری عمومی برای رفع مشکلات رابط در انواع مختلف شیمی باتری به کار رود.
برای بررسی این پدیده در سطح اتمی تیم تحقیقاتی از ابزارهای پیشرفته تصویربرداری از جمله میکروسکوپ الکترونی عبوری کرایوژنیک و طیفسنجی جذب پرتو ایکس استفاده کرد. این روشها تایید کردند که اتمهای لیتیوم بهطور مؤثر به ناحیه رابط منتقل شدهاند.
به گفته گوییلیانگ شو از دیگر پژوهشگران این پروژه این پیشرفت میتواند با استفاده از مواد در دسترس هزینههای تولید را کاهش داده و مسیر تجاریسازی این فناوری را هموار کند.
در مجموع این دستاورد نشان میدهد که استفاده از یک فرآیند مکانیکی ساده میتواند به بهبود قابلتوجه ساختار داخلی باتریها منجر شده و عملکرد آنها را بهطور چشمگیری افزایش دهد؛ موضوعی که میتواند آینده خودروهای برقی و حتی صنایع هوانوردی را تحت تأثیر قرار دهد.
پژوهشگران در پایان تاکید کردهاند که این روش میتواند عملکرد سیستمهای باتری را بهطور گسترده ارتقا دهد و افقهای جدیدی را برای کاربردهای پیشرفته در حوزه انرژی باز کند.
انتهای پیام/
