خداحافظی باتری‌های لیتیوم-یون با انفجار
تبلیغات
در این مطالعه که در دانشکده مکانیک دانشگاه میشیگان صورت گرفته، نوعی الکترولیت سرامیکی جدید استفاده شده که مشکلات قدیمی و تاریخی این باتری‌ها نظیر طول عمر کم و اتصال کوتاه داخلی را برطرف می‌کند. خروجی این پژوهش‌ها ممکن است سرآغاز راهی باشد که به نسل بعدی باتری‌های قابل شارژ منتهی میشود.
ناتان تیلور، دانشجو پسادکترا دانشکده مکانیک دانشگاه میشیگان
جف ساکاموتو، دانشیار دانشکده مکانیک دانشگاه میشیگان، کسی که رهبری این پروژه را برعهده دارد در این رابطه می‌گوید:
این تکنولوژی می‌تواند بازی را عوض کند. تغییری در الگوی کاری باتری‌ها.
دکتر جف ساکاموتو
در دهه 80 میلادی، استفاده از الکترولیت‌های مایع در باتری‌های لیتیوم-فلزی محصولی انقلابی قلمداد می‌شد که می تواند قلب بازار را بشکافد و بین تلفن‌های همراه، جایی برای خود دست و پا کند. امری که به دلیل مشاهده موارد انفجار باتری حین شارژ محقق نشد و محققان را به کشف مسیری جدید رهنمون کرد. دلیل انفجار این بود که اتم‌های لیتیومی که بین الکترودها رفت و آمد داشتند، ساختاری رشته‌ای شبیه به درخت، موسوم به دندریت در سطح الکترود تشکیل می‌دادند. این ساختار در صورت طولانی شدن موجب اتصال کوتاه الکترودها می‌شد و بوم! یک باتری منفجر شده دیگر.
نمونه‌ای از ساختار درختی دندریت
نسل بعدی، یعنی لیتیوم-یون ثبات بیشتری داشت، اما انرژی کمتری ذخیره می‌کرد. آن نسل در سال 1991 معرفی شد. نسل لیتیوم-فلزی (که از آنودهای گرافیتی برای جلوگیری از تشکیل دندریت بهره می‌بردند) را بازنشسته کرد و به سرعت به استانداردی جدید در دنیای باتری‌ها بدل شد.
پژوهش های جدید با تمرکز بر دو مسئله شکل گرفته‌اند:
- گرافیت به ازای شش اتم کربن، می تواند یک یون لیتیوم را نگه دارد. این مسئله باعث میشود ظرفیت باتری لیتیوم-یون به 350mAh در هر گرم محدود شود که عددی به مراتب کمتر از ظرفیت 3800mAh در هرگرم از باتری لیتیوم-فلز است.
- برای حل مشکل انفجار لیتیوم-فلز، مهندسان میشیگان از لایه‌ای سرامیکی برای پایداری سطح الکترودها و پیش‌گیری از تشکیل دندریت استفاده کرده‌اند. به این ترتیب، هم از ظرفیت بالای باتری‌های لیتیوم-فلز بهره‌مند می‌شویم، هم احتمال آتش سوزی و انفجار از بین می‌رود.
جف ساکاموتو می‌گوید:
روش ما متفاوت از قبل است. پایدارسازی فیزیکی سطح لیتیوم با سرامیک. سرمنشا مشکل انفجار مایعی بود که در ساختارهای قدیمی استفاده می‌شد و برای رهایی از شر انفجار باید از دست آن خلاص شوید. در ساختار جدید مایعی به کار نرفته و در نتیجه، انفجاری در کار نخواهد بود. در آزمایشات ما، باتری تا 1800 درجه فارنهایت (982 درجه سلسیوس) از خود مقاومت نشان داده.
دستگاهی که با افزایش حرارت تا 1225 درجه سلسیوس، سرامیک را فشرده می‌کند
در نمونه‌های ابتدایی، حتی در جریان‌های شارژ کم لایه لیتیوم-فلز شروع به رشد می‌کرد که باعث بروز اتصال کوتاه می‌شد. داستان مشابهی برای سلول‌های مایع نیز رخ می‌داد. اما راهبردهای شیمیایی و مکانیکی محققان میشیگان، این لایه‌های مزاحم را سرکوب می‌کند و نه تنها مانع انفجار میشود، بلکه اجازه می‌دهد سرعت شارژ باتری را نیز زیاد کنید. ساکاموتو در این رابطه بیان می‌کند:
اگر شارژ کامل یک باتری لیتیوم-فلز در ابعاد خودرو الکتریکی 20 تا 50 ساعت زمان ببرد، تکنولوژی انقلابی ما آن را به 3 ساعت یا کمتر کاهش می‌دهد. یعنی نسبت به باتری‌های لیتیوم-فلز 10 برابر سریع‌تر شده‌ایم. همچنین از نظر سرعت با باتری‌های لیتیوم-یون برابر هستیم، اما چیزهایی ارائه می‌دهیم که در لیتیوم-یون یافت نمی‌شود.
فرایند شارژ و تخلیه باتری‌های لیتیوم-یون به مرور منجر به مرگ سلول‌های آن می‌شوند. اما این پدیده در باتری‌های میشیگان دیده نشده. ناتان تیلور، دانشجو پسادکترا دانشکده مکانیک میشیگان در این مورد می‌گوید:
ما به مدت 22 روز شارژ و تخلیه باتری را اجرا کردیم. در پایان، هیچ تغییری در ظرفیت باتری مشاهده نشد و تا جایی که اطلاع داریم، تاکنون هیچ الکترولیت حجیم حالت جامد دیگری به این خوبی دوام نیاورده.
الکترولیت‌های حجیم حالت جامد که تا این لحظه از آزمایشات سربلند بیرون آمده‌اند، یک گزینه بسیار محتمل برای جایگزینی لیتیوم-یون‌ها هستند. تیم تحقیقاتی میشیگان اخیرا کار روی لایه‌های باریک الکترولیت جامد را آغاز کرده تا امکان دستیابی به ظرفیت‌های بالا را در این مورد نیز بررسی نماید.
قطعا چشم‌های بسیاری به انتظار ظهور نسل جدید باتری‌ها نشسته‌اند. از کره‌ای‌هایی که در انفجارهای سریالی Galaxy Note 7 میلیون‌ها دلار ضرر کردند تا خودروسازانی که هر روز در تلاشند محصولی روانه بازار کنند که مسافت بیشتری با یک بار شارژ می‌پیماید.
