ساخت باتری لیتیومی که بیش از ۶ هزار بار شارژ می‌شود

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از ساینس دیلی، محققان دانشگاه هاروارد یک نوع باتری لیتیوم فلزی ساخته‌اند که در عرض چند دقیقه و دست‌کم ۶ هزار بار قابل شارژ است.

این تحقیق نه‌ تنها مبتنی بر معرفی روشی جدید برای ساخت باتری‌های حالت جامد با استفاده از الکترود منفی (آند) یون لیتیوم فلزی است؛ بلکه ما را به فهم جدیدی از مواد قابل استفاده در این نوع از باتری‌ها می‌رساند.

باتری‌های لیتیوم یون حکم جام مقدس را دارند؛ چراکه ظرفیت شان ۱۰ برابر بیشتر از باتری‌های گرافیتی تجاری است و بُرد خودروهای الکتریکی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند.

با این اوصاف، تحقیق اخیر گامی مهم در راستای تولید باتری‌های حالت جامد کاربردی‌تر برای مصارف صنعتی و تجاری است.

یکی از چالش‌های اصلی در طراحی این قبیل باتری‌ها، تشکیل دندریت در سمت قطب منفی (آند) است. دندریت‌ها زائده‌های سوزنی شکلی هستند که روی سطح الکترود‌ها تشکیل می‌شوند و با رسوخ به دیواره حائل میان آند (الکترود منفی) و کاتد (الکترود مثبت)، باعث کاهش طول عمر باتری و یا حتی آتش گرفتن آن می‌شوند.

سال ۲۰۲۱، اعضای این تیم تحقیقاتی برای حل این چالش، باتری چندلایه‌ای را طراحی کردند که مبتنی بر پر کردن فاصله میان آند و کاتد با استفاده از مواد مختلف با درصد پایداری متفاوت بود.

این طراحی چندلایه و چندماده‌ای نفوذ دندریت‌های لیتیوم را به طور کامل متوقف نمی‌کرد، اما به کنترل و مهار آن می‌انجامید؛ اما در پژوهش اخیر، تیم تحقیق موفق شد که با استفاده از ذرات میکرو سیلیکون در قطب منفی باتری، تشکیل دندریت‌ها را متوقف کند تا به این ترتیب، واکنش لیتاسیون (جانشینی ذرات لیتیوم با هیدروژن) محدود شود. 

در این طرح با حرکت یون‌های لیتیوم از کاتد به آند در حین شارژ، واکنش لیتیاسیون به سطح کم عمق محدود می‌شود تا آنجا که یون‌ها به سطح ذره سیلیکون می‌چسبند، اما بیش از آن نفوذ نمی‌کنند.

به این ترتیب، فلز لیتیوم مثل پوسته شکلات، دور ذرات سیلیکون می‌پیچد و سطح همگنی به وجود می‌آید که در آن چگالی به طور یکسان پخش شده است و همین مسئله مانع از تشکیل دندریت می‌شود. به این ترتیب، سرعت شارژ باتری به ۱۰ دقیقه کاهش می‌یابد.

محققان یک نسخه سلول کیسه‌ای به اندازه تمبر پستی از این باتری ساخته‌اند که ۱۰ تا ۲۰ برابر بزرگ‌تر از سلول‌های سکه‌ای است که در اکثر آزمایشگاه‌های دانشگاهی ساخته می‌شود. این باتری، بعد از ۶ هزار بار شارژ، همچنان ۸۰ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرد و این نشان می‌دهد که عملکری بهتر از باتری‌های کیسه‌ای موجود در بازار دارد.