آزمایشگاههای سراسر جهان سالهاست توسعه نوع جدیدی از باتری لیتیومی قابل شارژ که سبکتر، فشردهتر و ایمنتر از باتریهای فعلی باشند را دنبالکردهاند و اکنون ممکن است به لطف کشف محققان MIT این هدف امکانپذیر باشد.
به گزارش تکناک، در حال حاضر، دو مولفه اساسی از این پیشرفت آینده نگر در فناوری باتری وجود دارد.
اولین مورد جایگزینی الکترولیت مایع بین الکترودهای مثبت و منفی با یک لایه نازکتر و سبکتر از مواد سرامیکی جامد است و دیگری جایگزینی یک الکترود با یک فلز لیتیوم جامد.
با انجام این کار، اندازه و وزن کل باتری تا حد زیادی کاهش می یابد و الکترولیت های مایع قابل اشتعال که مشکلات ایمنی ایجاد می کنند، حذف می شوند. با این حال، ثابت شده است که دندریت ها مانع قابل توجهی در این تلاش هستند. باتری لیتیومی قابل شارژ
اما تا به حال، آنچه دندریت ها را ایجاد می کند یا فهم اینکه چگونه می توان از ایجاد آنها جلوگیری کرد یک راز بود.
دندریت ها توده های فلزی هستند که می توانند روی سطح لیتیوم جمع شوند، از الکترولیت جامد عبور کنند و در نهایت از یک الکترود به الکترود دیگر رفته و سلول باتری را کوتاه کنند. نام آنها از کلمه لاتین شاخه ها گرفته شده است.
تا به حال، پیشرفت زیادی در درک اینکه چه چیزی باعث ایجاد این رشته های فلزی می شود یا چگونه می توان از ایجاد آنها جلوگیری کرد، وجود نداشته است، بنابران باتری های سبک وزن جامد به یک جایگزین عملی تبدیل شده اند.
دندریت ها توسط فرآیندهای مکانیکی تشکیل می شوند
مطالعه جدید که 18 نوامبر 2022 منتشر شد، نه تنها به این سوال پاسخ می دهد که چه چیزی باعث رشد دندریتی می شود، بلکه نشان می دهد که چگونه می توان دندریت ها را از سوراخ کردن الکترولیت بازداشت.
یافته های این تیم نشان می دهد که تنش های مکانیکی عامل ایجاد این مشکل هستند. پیش از این، برخی از محققان معتقد بودند که دندریت ها صرفاً توسط یک فرآیند الکتروشیمیایی به جای فرآیند مکانیکی تشکیل می شوند.
یافته های این تیم نشان می دهد که تنش های مکانیکی عامل ایجاد این مشکل هستند. پیش از این، برخی از محققان معتقد بودند که دندریت ها صرفاً توسط یک فرآیند الکتروشیمیایی به جای فرآیند مکانیکی تشکیل می شوند.
در مطالعه قبلی، این تیم به یک کشف غافلگیر کننده و غیرمنتظره ای دست یافت که نشان میداد در طی فرآیند شارژ و دشارژ باتری، رفت و برگشت یونها باعث تغییر حجم الکترودها میشود.
این تیم استدلال می کند که این تغییر حجم به طور اجتناب ناپذیری باعث ایجاد تنش در الکترولیت جامد می شود که باید کاملاً در تماس با الکترودهایی باشد که بین آنها قرار گرفته است.
پروفسور مینگ چیانگ، ازMIT همکار این مطالعه در یک بیانیه مطبوعاتی می گوید: افزایش حجم در سمتی از سلول که لیتیوم در آن انباشته می شود، وجود دارد و اگر نقص های میکروسکوپی وجود داشته باشد، این باعث ایجاد فشار بر روی آن معایب می شود و می تواند باعث ترک خوردن شود.
این تیم اکنون نشان داده است که این نیروها باعث ایجاد شکاف هایی می شوند که به دندریت ها اجازه تشکیل می دهند. اضافه کردن استرس اضافی در جهت ایده آل، و با قدرت کامل، پاسخ این موضوع است.
دندریت ها می توانند به شکل بی ضرر در آیند
در صورتی که دندریتها فشرده شوند و به موازات دو الکترود هدایت شوند از عبور به طرف مقابل منع شده و بیضرر میشوند. این جهت به این صورت خواهد بود که انگار یک ساندویچ را از طرفین فشار می دهید.
این فرایند در نهایت می تواند ساخت باتری هایی با الکترودهای لیتیوم فلزی و الکترولیت های جامد را امکان پذیر کند. اینها نه تنها انرژی بیشتری برای حجم و وزن معین ذخیره میکنند، بلکه نیاز به الکترولیت های مایع قابل اشتعال را نیز برطرف می کنند.
چیانگ گفت: من میگویم این یک درک از حالتهای خرابی در باتریهای جامد است که ما معتقدیم صنعت باید از آن آگاه باشد و سعی کند در طراحی محصولات بهتر از آن استفاده کند.
به گفته چیانگ، گام بعدی تیم تلاش برای استفاده از این یافته ها در تولید نمونه اولیه یک باتری کاربردی خواهد بود. پس از این، آنها دقیقاً تعیین می کنند که چه تکنیک های تولیدی برای ساخت چنین باتری هایی در مقادیر زیاد مورد نیاز است.
او ادعا می کند با وجود اینکه آنها برای ثبت اختراع درخواست داده اند، محققان قصد ندارند این فناوری را به بازار عرضه کنند زیرا سایر شرکت ها در حال تحقیق و توسعه در زمینه باتری های جامد هستند.
