راز بزرگ خرابی باتریهای نسل آینده فاش شد
پژوهشگران موفق شدهاند سازوکار کلیدی خرابی در باتریهای حالت جامد را شناسایی کنند؛ کشفی که میتواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از باتریهای ایمنتر، بادوامتر و پرظرفیتتر هموار کند.
به گزارش ساینس دیلی، محققان موسسه ماکس پلانک برای مواد پایدار (Max Planck Institute for Sustainable Materials) در مطالعهای که نتایج آن در مجله علمی Nature منتشر شده است موفق شدند علت اصلی ایجاد اتصال کوتاه در باتریهای حالت جامد را مشخص کنند؛ مشکلی که سالها یکی از بزرگترین موانع تجاریسازی این فناوری پیشرفته محسوب میشد.
باتریهای حالت جامد بهعنوان نسل آینده ذخیرهسازی انرژی شناخته میشوند و انتظار میرود در آینده بتوانند عملکرد تلفنهای همراه، خودروهای برقی و سامانههای ذخیره انرژی را بهطور چشمگیری بهبود دهند. این باتریها در مقایسه با باتریهای لیتیوم-یونی رایج ظرفیت ذخیره انرژی بیشتری دارند ایمنتر هستند و خطر آتشسوزی در آنها کمتر است. با این حال شکلگیری ساختارهای بسیار ریزی موسوم به دندریت همواره مانع اصلی توسعه گسترده این فناوری بوده است.
باتریهای حالت جامد چگونه کار میکنند؟
در باتریهای لیتیوم یونی متداول یونهای لیتیوم از طریق یک الکترولیت مایع بین دو الکترود جابهجا میشوند اما در باتریهای حالت جامد این الکترولیت مایع با یک ماده سرامیکی جامد جایگزین میشود.
این تغییر مزایای متعددی به همراه دارد از جمله افزایش چگالی انرژی، بهبود ایمنی و طول عمر بیشتر باتری. کارشناسان معتقدند استفاده گسترده از این فناوری میتواند باعث شود تلفنهای هوشمند چندین روز بدون نیاز به شارژ کار کنند و خودروهای برقی نیز تا سه برابر مسافت بیشتری را با یک بار شارژ طی کنند.
معمایی که دانشمندان را سردرگم کرده بود
یکی از چالشهای اصلی باتریهای حالت جامد، رشد دندریتهای لیتیومی در هنگام شارژ است. این ساختارهای سوزنیشکل از آند لیتیومی رشد میکنند و بهتدریج درون الکترولیت جامد نفوذ میکنند. اگر دندریتها به الکترود مقابل برسند یک مسیر رسانا ایجاد شده و باتری دچار اتصال کوتاه داخلی میشود؛ رخدادی که میتواند عملکرد باتری را بهسرعت مختل کند، اما پرسش مهمی که سالها بیپاسخ مانده بود این بود که چگونه فلز لیتیوم که مادهای نرم محسوب میشود میتواند در یک سرامیک سخت و شکننده نفوذ کرده و آن را بشکند؟
دو فرضیه برای توضیح این پدیده
پژوهشگران پیش از این دو توضیح احتمالی برای این مسئله مطرح کرده بودند؛ اول درون دندریتهای لیتیومی تنش مکانیکی شدیدی ایجاد میشود که در نهایت باعث ترکخوردگی سرامیک میشود، دوم الکترونها در امتداد مرز دانههای سرامیک نشت میکنند و هستههای جدید لیتیوم را تشکیل میدهند.
آزمایشهای پیشرفته در شرایط ویژه
برای مشخص شدن علت واقعی تیم تحقیقاتی مجموعهای از آزمایشهای پیچیده را طراحی کرد. این آزمایشها در شرایط خلا و دماهای بسیار پایین انجام شدند تا از آلودگی ناشی از اکسیژن و رطوبت جلوگیری شود و اثرات جانبی تصویربرداری الکترونی نیز به حداقل برسد.
محققان دندریتهای لیتیومی گرفتار در شکافهای الکترولیت سرامیکی را با دقت مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد هیچ نشانهای از تجمع لیتیوم در جلوی نوک دندریتها وجود ندارد؛ موضوعی که فرضیه دوم را تا حد زیادی رد میکند.
کشف عامل اصلی اتصال کوتاه
بررسیها نشان داد عامل اصلی افزایش فشار درون خود دندریتها است. یووی ژانگ، سرپرست گروه شیمی-مکانیک مواد باتری در موسسه ماکس پلانک و نویسنده اصلی این پژوهش توضیح داد که لیتیوم نرم میتواند همانند یک جت آب پرفشار که سنگ را سوراخ میکند در سرامیک سخت نفوذ کند.
به گفته وی محاسبات نشان داد تنش هیدرواستاتیکی ایجادشده در داخل دندریتهای لیتیومی در نهایت باعث شکست ترد و ترکخوردگی الکترولیت سرامیکی میشود و مسیر لازم برای ایجاد اتصال کوتاه را فراهم میکند.
تایید نتایج با شبیهسازیهای رایانهای
پژوهشگران برای اطمینان از یافتههای خود از شبیهسازیهای پیشرفته فاز فیلد و همچنین اندازهگیریهای پراش الکترون بازپراکنده (EBSD) استفاده کردند. نتایج این روشها نیز فرضیه ایجاد تنش داخلی و شکست مکانیکی سرامیک را تایید کرد.
اکنون که سازوکار اصلی خرابی مشخص شده است محققان در حال بررسی راهکارهایی برای مهار این پدیده هستند از جمله این راهکارها میتوان به مواردی مثل: افزایش مقاومت الکترولیتهای جامد در برابر ترکخوردگی، ایجاد حفرههای میکروسکوپی در ساختار الکترولیت برای تغییر مسیر رشد دندریتها، استفاده از پوششهای محافظ روی الکترودهای لیتیومی برای کاهش شکلگیری دندریتها، طراحی مواد جدیدی که بتوانند فشار ایجادشده توسط دندریتها را بهتر تحمل کنند، اشاره کرد.
دانشمندان معتقدند این یافته یکی از مهمترین پیشرفتهای اخیر در حوزه باتریهای حالت جامد محسوب میشود. درک دقیق نحوه ایجاد ترک و اتصال کوتاه در این باتریها میتواند به توسعه محصولاتی منجر شود که ظرفیت انرژی بالاتر، ایمنی بیشتر و طول عمر طولانیتری دارند موضوعی که برای آینده خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی اهمیت راهبردی دارد.
انتهای پیام/
