دانشمندان راهی برای جلوگیری از ایجاد برآمدگیهای مخرب در باتری پیدا کردند؛ پیشرفتی که میتواند سرعت شارژ را تا ۳۰۰ درصد افزایش دهد.
پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه فنی مونیخ (TUM) موفق شدهاند سازوکار دقیق شکلگیری برآمدگیهای ریز و مخربی را که باعث از کار افتادن باتریها میشوند، شناسایی کنند. آنها همچنین روشی ارائه دادهاند که میتواند از ایجاد این ساختارهای آسیبزا جلوگیری کند.
بررسیهای این گروه نشان داد که دندریتها در باتریهای حالت جامد به دلیل ناهماهنگیهای الکتریکی پنهانی در مرز میان دانههای الکترولیت شکل میگیرند. این ناهماهنگیها با ایجاد مانع در مسیر حرکت یونهای لیتیوم و به دام انداختن الکترونهایی که نشت میکنند، روند انتقال بار الکتریکی را مختل کرده و شرایط را برای رشد دندریتها فراهم مینمایند.
محققان توانستند با تغییر شیوه فرآوری الکترولیت، این تلههای الکتریکی را تا حد زیادی کاهش دهند و میزان نشت الکترون را کم کنند. نتیجه این اصلاح، افزایش بیش از ۳۰۰ درصدی چگالی جریان در این ماده بود؛ دستاوردی که میتواند زمینه را برای تولید باتریهای حالت جامد با قابلیت شارژ سریعتر و عمر طولانیتر فراهم کند. هری تولر، استاد دانشکده مهندسی و علم مواد در مؤسسه فناوری ماساچوست، در این باره گفت:
مرز دانهها شبیه وضعیت آبوهوا هستند؛ همه درباره آن صحبت میکنند، اما کمتر کسی اقدامی برای حل مشکل انجام میدهد. در این پژوهش تصمیم گرفتیم بهطور عملی روی مرز دانهها کار کنیم و نتایج بهدستآمده نهتنها عملکرد باتری را بهبود داد، بلکه اهمیت این بخش را نیز بهصورت گسترده نشان داد.
باتریهای حالت جامد یکی از امیدبخشترین فناوریها برای تحول در حوزه انرژی پاک به شمار میروند، زیرا در آنها به جای الکترولیت مایع مورد استفاده در باتریهای لیتیومیونی، از یک الکترولیت جامد از جنس سرامیک یا پلیمر استفاده میشود.
با وجود این مزایا، استفاده گسترده از این باتریها تاکنون با مانع بزرگی روبهرو بوده است. ایجاد اتصال کوتاه بر اثر رشد دندریتها، یعنی شاخههای بسیار ریز فلز لیتیوم که مانند علفهای هرز در حال شکافتن بتن، درون هسته جامد باتری نفوذ میکنند، یکی از مهمترین مشکلات این فناوری محسوب میشود.
الکترولیتهای جامد از میلیاردها بلور بسیار کوچک در ابعاد میکرونی تشکیل شدهاند که به آنها دانه گفته میشود. این دانهها توسط مرزهایی میکروسکوپی از یکدیگر جدا شدهاند. سالها بود که دانشمندان گمان میکردند این مرزها ویژگیهای شیمیایی و الکتریکی متفاوتی نسبت به خود دانهها دارند و همین تفاوتها باعث اختلال در عبور یونها، نشت الکترونها و در نهایت شکلگیری دندریتهایی میشود که باتری را از بین میبرند. با این حال، سازوکار دقیق این فرایند تاکنون مشخص نشده بود.
هری تولر توضیح داد که مرز دانهها در واقع نوعی نقص ساختاری محسوب میشوند. به گفته او، میزان این نقصها در مرزها بیشتر از داخل دانهها است و به همین دلیل، زمانی که حاملهای بار الکتریکی، چه الکترون و چه یون، به این نواحی میرسند، با مانعی روبهرو میشوند که عبور از آن آسان نیست.
در این پژوهش جدید، دانشمندان با مدلسازی رایانهای نشان دادند که ناهماهنگیهای موضعی بار الکتریکی در مرز دانهها چگونه حرکت حاملهای بار را مختل میکند. سپس این مدل روی ماده الکترولیت جامدی به نام لیتیوم لانتانوم زیرکونات یا LLZO آزمایش گردید. برای انجام این بررسیها از میکروسکوپ الکترونی، الگوریتمهای یادگیری ماشین و روشهای پیشرفته طیفسنجی استفاده شد.
نتایج نشان داد که هسته مرز دانهها دارای بار الکتریکی موضعی است که از یک سو مانع عبور یونهای لیتیوم میشود و از سوی دیگر الکترونها را در خود نگه میدارد. تجمع این الکترونها باعث کاهش بار یونهای لیتیوم مجاور شده و در نهایت آنها را وادار میکند به فلز لیتیوم تبدیل شوند؛ فرایندی که مستقیماً به شکلگیری دندریتهای مخرب منجر میگردد.
شارژ فوق سریع در آینده
دانشمندان با استفاده از یافتههای جدید، شرایط تولید الکترولیت LLZO را تغییر دادند تا میزان بارهای منفی موجود در مرز دانهها کاهش پیدا کند. الکترولیت اصلاحشده باعث شد یونهای لیتیوم با سهولت بسیار بیشتری در ماده حرکت کنند، در حالی که مسیر نشت الکترونها نیز تا حد زیادی مسدود شد.
این راهکار عملکرد بسیار موفقی داشت. نمونه جدید توانست بدون ایجاد دندریت، چگالی جریان بحرانی را تا ۳۰۰ درصد بیشتر از نمونههای معمولی تحمل کند. برای مصرفکنندگان، این افزایش ۳۰۰ درصدی به معنای شارژ بسیار سریعتر و دوام بیشتر باتری خواهد بود. چنین باتریهایی میتوانند بارها جریانهای بسیار بالای مورد نیاز برای شارژ فوق سریع را تحمل کنند، بدون اینکه دچار آسیب یا افت عملکرد شوند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Nanotechnology منتشر شده است.
