به گزارش ایسنا، باتریها امروز بخش مهمی از زندگی روزمره و فناوریهای نوین را از خودروهای برقی گرفته تا سامانههای ذخیره انرژی برای شبکه برق تشکیل میدهند. در این میان، باتریهای لیتیومفلزی به دلیل توان بالقوه بالا برای ذخیره انرژی، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. این باتریها میتوانند در مقایسه با بسیاری از باتریهای رایج، انرژی بیشتری در حجم یا وزن مشابه نگه دارند و به همین دلیل برای کاربردهایی که نیاز به برد بیشتر یا وزن کمتر دارند، بسیار جذاب هستند. با این حال، رسیدن به این هدف تنها به داشتن مواد پرانرژی وابسته نیست و بخشهای دیگر باتری نیز باید به اندازه کافی کارآمد و پایدار باشند.
یکی از مهمترین این بخشها الکترولیت است؛ مادهای که یونهای لیتیوم را میان دو الکترود جابهجا میکند. الکترولیتهای مایع رایج اگرچه عملکرد مناسبی دارند، اما قابل اشتعالاند و ممکن است واکنشهای ناخواستهای درون باتری ایجاد کنند که به مرور عمر آن را کوتاه میکند. به همین دلیل، الکترولیتهای پلیمری حالتجامد به عنوان جایگزینی ایمنتر مطرح شدهاند. اما این گزینهها هم مشکلاتی دارند: تماس ضعیف با الکترودها، رسانایی یونی پایین و ناتوانی در کار پایدار در ولتاژهای بالاتر از ۴ ولت. همچنین برخی نمونههای ساختهشده درون باتری، بهویژه انواع مبتنی بر ۱,۳-dioxolane، در کنار کاتدهای ولتاژبالا سریع تخریب میشوند و در دماهای پایین نیز عملکرد خوبی ندارند. همین مسئله باعث شده نیاز به طراحی مولکولی تازه برای حل همزمان چند مشکل، بیش از پیش احساس شود.
در همین زمینه، گروهی از پژوهشگران دانشگاه South China Normal University مطالعهای انجام دادهاند که بر طراحی یک الکترولیت جدید از نوع «پلیتتراهیدروفورانِ شبکهای» تمرکز دارد. این پژوهش که در قالب کاری درباره یک راهبرد طراحی چندبخشی برای بهبود همزمان پایداری اکسیداسیونی، انتقال یون و شیمی سطح مشترک باتری انجام شده، نشان میدهد میتوان پیشمادههای مایع را مستقیما در داخل باتری به یک الکترولیت حالتجامد تبدیل کرد. این گروه گزارش کردهاند که چنین روشی میتواند تماس کاملتری میان الکترولیت و الکترودها ایجاد کند و در عین حال با خطوط تولید فعلی باتریهای لیتیومیونی نیز سازگار باشد.
روش کار پژوهشگران بر یک راهبرد «پلیمرسازی درجا» استوار بود؛ یعنی مواد اولیه به صورت مایع وارد سامانه میشوند و سپس در داخل خود باتری به پلیمر جامد تبدیل میشوند. آنها برای این کار، مونومر رایج ۱,۳-dioxolane را با تتراهیدروفوران یا THF جایگزین کردند تا پایداری در برابر اکسید شدن بیشتر شود. سپس مادهای به نام اتیلن گلیکول دیگلایسیدیل اتر یا به اختصار GDE را به عنوان عامل اتصالدهنده به کار بردند تا یک شبکه سهبعدی در پلیمر شکل بگیرد. این شبکه دارای جایگاههای اکسیژنی بیشتری است که به جابهجایی یونهای لیتیوم کمک میکند. همچنین از لیتیوم دیفلوئورو بورات یا LiDFOB نه فقط به عنوان نمک، بلکه به عنوان آغازگر پلیمریزه شدن استفاده شد؛ مادهای که هم به شروع تشکیل پلیمر کمک میکند و هم یک لایه محافظ نازک روی هر دو الکترود میسازد.
نتایج پژوهش نشان دادند این طراحی سهگانه توانسته چند گلوگاه مهم را همزمان برطرف کند. جایگزینی THF باعث شد پایداری اکسیداسیونی الکترولیت تا ۴.۹ ولت افزایش پیدا کند؛ عددی که برای کار با کاتدهای ولتاژبالا بسیار مهم است. از سوی دیگر، حضور GDE رسانایی یونی را در دمای اتاق به ۳.۳ میلیزیمنس بر سانتیمتر رساند که طبق گزارش پژوهشگران، یکی از بالاترین مقادیر ثبتشده برای این نوع سامانههای پلیمری است. به زبان ساده، این یعنی یونهای لیتیوم میتوانند سریعتر و آسانتر درون الکترولیت حرکت کنند.
در بخش دیگری از یافتهها که در نشریه eScience Energy منعکس شدهاند، پژوهشگران نشان دادند LiDFOB هنگام تجزیه ترجیحی، لایهای محافظ و غنی از مواد معدنی روی سطح الکترودها تشکیل میدهد. این لایه شامل فلورید لیتیوم و گونههای حاوی بور، اکسیژن و فلوئور است و مانند یک زره محافظ، واکنشهای ناخواسته را کاهش میدهد و به پایداری ساختار کاتد در چرخههای شارژ و دشارژ کمک میکند. بر پایه این طراحی، باتریهای لیتیومفلزی مجهز به کاتدهای نیکلبالای NCM۸۱۱ و نیز LCO توانستند در ولتاژ قطع بسیار بالای ۴.۵ ولت، برای صدها چرخه با افت ظرفیت اندک کار کنند. این نتیجه از نظر دوام و کار در شرایط سخت اهمیت زیادی دارد.
اهمیت این یافتهها فقط به بهبود یک عدد آزمایشگاهی محدود نمیشود. یکی از مشکلات رایج در طراحی الکترولیتها این است که افزایش پایداری در برابر ولتاژ بالا، معمولا به کاهش سرعت حرکت یونها منجر میشود. اما در این پژوهش، ترکیب THF و عامل اتصالدهنده GDE توانسته این بدهبستان معمول را تا حد زیادی برطرف کند. به بیان ساده، پژوهشگران روشی یافتهاند که هم پایداری را بالا میبرد و هم رسانایی را حفظ میکند. افزون بر این، نقش دوگانه LiDFOB نیز قابل توجه است، زیرا هم فرایند ساخت الکترولیت را پیش میبرد و هم از الکترودها محافظت میکند.
این دستاورد میتواند برای خودروهای برقی، هواگردهای عمودپرواز برقی و سامانههای ذخیره انرژی در مقیاس شبکه اهمیت فوری داشته باشد؛ حوزههایی که هم به چگالی انرژی بالا و هم به مقاومت در دماهای بسیار پایین و بالا نیاز دارند.
بر اساس گزارش پژوهشگران، این سامانه توانسته در بازه دمایی ۴۰- تا ۵۵ درجه سانتیگراد بدون نیاز به گرمایش یا سرمایش بیرونی کار کند. چنین قابلیتی میتواند پیچیدگی سامانه را کمتر کند و در آبوهوای سرد به افزایش برد کمک کند.
همچنین چون این روش با تجهیزات موجود تولید باتریهای لیتیومیونی سازگار است، مسیر تجاریسازی آن نیز میتواند کوتاهتر باشد. پژوهشگران همچنین معتقدند این شیوه طراحی ممکن است در آینده به دیگر باتریهای حالتجامد، از جمله سامانههای سدیمی یا لیتیوم-گوگردی هم گسترش یابد.
انتهای پیام
