باتری سدیمی جدید با افزودنی ارزان ۲ هزار ساعت بدون خرابی دوام آورد

محققان National University of Singapore موفق به توسعه نوعی باتری حالت‌جامد سدیمی ایمن‌تر شده‌اند که با استفاده از یک افزودنی ارزان‌قیمت، هم هدایت یونی را بهبود می‌دهد و هم از شکل‌گیری ساختار‌های فلزی خطرناک درون باتری جلوگیری می‌کند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر تجاری‌سازی باتری‌های سدیمی کم‌هزینه و ایمن را هموارتر کند.

به گزارش interestingengineering، این پژوهش یکی از مهم‌ترین چالش‌های باتری‌های سدیمی را هدف قرار داده است؛ مسئله ایمنی. اگرچه سدیم در مقایسه با لیتیوم بسیار فراوان‌تر و ارزان‌تر است، اما اغلب باتری‌های سدیمی کنونی همچنان از الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال استفاده می‌کنند که خطر نشت یا آتش‌سوزی دارند.

در سال‌های اخیر الکترولیت‌های پلیمری جامد به‌عنوان جایگزینی ایمن‌تر مطرح شده‌اند، اما این مواد معمولا با مشکلاتی مانند هدایت یونی پایین و ناپایداری در تماس با الکترود فلزی سدیم مواجه هستند. در نتیجه به‌مرور زمان ساختار‌های سوزنی‌شکل فلزی موسوم به دندریت درون باتری رشد می‌کنند و در نهایت باعث اتصال کوتاه و خرابی باتری می‌شوند.

تیم تحقیقاتی دانشگاه ملی سنگاپور برای حل این دو مشکل از ماده‌ای به نام کربن نیترید گرافیتی (GCN) استفاده کرده است؛ ماده‌ای که با حرارت دادن اوره در دمای ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود. این افزودنی درون فیلم الکترولیت پلیمری ساخته‌شده از پلی‌اتیلن اکسید و نمک سدیم ترکیب شد.

به گفته پژوهشگران صفحات فوق‌نازک GCN ساختار پلیمر را بازآرایی می‌کنند و موجب می‌شوند یون‌های سدیم آزادانه‌تر حرکت کنند. این فرآیند علاوه بر افزایش رسانایی یونی استحکام مکانیکی الکترولیت را نیز بهبود می‌دهد.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد الکترولیت اصلاح‌شده رسانایی یونی را در دمای ۵۵ درجه سانتی‌گراد بیش از دو برابر افزایش داده است. همچنین عدد انتقال یون سدیم که شاخصی برای سنجش سهم یون‌های سدیم در انتقال بار الکتریکی است از ۰.۱۹ به ۰.۵۱ رسید.

محققان اعلام کردند سایت‌های غنی از نیتروژن روی سطح GCN به جدا شدن یون‌های سدیم از جفت‌های نمکی کمک می‌کنند و در نتیجه تعداد یون‌های فعال برای انتقال بار در حین عملکرد باتری افزایش می‌یابد.

پالانی بالایا استاد دانشیار دانشگاه ملی سنگاپور درباره این فناوری گفت: قدرت اصلی این روش در سادگی آن است. GCN را می‌توان از یکی از فراوان‌ترین پیش‌ماده‌های شیمیایی جهان تولید کرد و آن را در سامانه‌ای پلیمری به کار گرفت که قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارد.

این افزودنی همچنین به حل یکی دیگر از مشکلات مهم باتری‌های فلز سدیم کمک کرده است؛ یعنی تشکیل دندریت‌ها. در چرخه‌های مکرر شارژ و دشارژ تجمع ناهموار سدیم روی سطح الکترود به‌تدریج دندریت‌هایی ایجاد می‌کند که الکترولیت را سوراخ کرده و باتری را از کار می‌اندازند.

بر اساس اعلام پژوهشگران پلیمر تقویت‌شده با GCN نسبت به نمونه معمولی سه برابر استحکام بیشتری پیدا کرده و همین ویژگی باعث می‌شود در برابر نفوذ دندریت‌ها مقاومت فیزیکی بالاتری داشته باشد. علاوه بر این این ماده یک لایه محافظ پایدارتر روی سطح فلز سدیم ایجاد می‌کند که به رسوب یکنواخت سدیم کمک می‌کند.

در آزمایش‌های انجام‌شده الکترولیت پلیمری معمولی تنها پس از ۲۵۰ ساعت در چگالی جریان ۰.۱ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع از کار افتاد، اما نسخه اصلاح‌شده توانست تحت همان شرایط تا هزار ساعت پایدار باقی بماند. این سامانه حتی در چگالی جریان بالاتر ۰.۲ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع نیز بیش از ۲ هزار ساعت بدون خرابی کار کرد.

تیم پژوهشی همچنین سلول‌های کامل باتری حالت‌جامد سدیمی را با استفاده از کاتد فسفات وانادیوم سدیم و آند فلز سدیم ساخت. این باتری‌ها در نرخ شارژ و دشارژ ۰.۵ C توانستند پس از ۵۰۰ چرخه، ۹۵ درصد ظرفیت خود را حفظ کنند و بازده کولمبی حدود ۹۹.۹۷ درصدی داشته باشند.

پژوهشگران علاوه بر این نمونه‌ای از باتری پاکتی (Pouch Cell) را نیز آزمایش کردند که حتی هنگام خم شدن، باز و بسته شدن و بریده شدن همچنان قادر به روشن نگه داشتن یک چراغ LED بود؛ موضوعی که نشان‌دهنده ایمنی و پایداری مکانیکی بالاتر این فناوری است.

تیم تحقیقاتی اعلام کرده اکنون در حال توسعه باتری‌های سدیمی‌ای هستند که بتوانند در دما‌های نزدیک به دمای اتاق نیز عملکرد مطلوبی داشته باشند. همچنین طراحی معماری‌های دوقطبی پشته‌ای برای افزایش چگالی انرژی این باتری‌ها در دست بررسی است.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Advanced Functional Materials منتشر شده است.

انتهای پیام/