مطالعه جدید دانشگاه آکسفورد ممکن است فرایند تولید باتری های الکتریکی برای وسایل نقلیه و هوانوردی را به شکل چشمگیری متحول کند.
به گزارش تکناک، محققان دانشگاه آکسفورد کشف کرده‌اند که چگونه باتری های حالت جامد فلزی لیتیومی (Li-SSB) از کار می‌افتند.
این کشف به طور بالقوه راه را برای باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی بهبود یافته هموار می‌کنند. این تیم تشخیص داد که تشکیل و رشد دندریت‌ها باعث اتصال کوتاه باتری‌ها می‌شود، بینشی که می‌تواند به رفع موانع تکنولوژیکی در توسعه باتری‌های حالت جامد کمک کند.
به لطف مطالعه جدیدی که توسط محققان دانشگاه آکسفورد انجام شد و در 7 ژوئن در Nature منتشر شد، باتری‌های خودروهای الکتریکی (EV) به طور قابل توجهی بهبود یافته‌اند. استفاده از تکنیک های تصویربرداری پیشرفته مکانیسم هایی را نشان داد که باعث از کار افتادن باتری های لیتیوم فلزی حالت جامد (Li-SSB) می شود. اگر بتوان بر این موارد غلبه کرد، باتری‌های حالت جامد که از آندهای فلزی لیتیوم استفاده می‌کنند، می‌توانند یک بهبود مرحله‌ای در محدوده، ایمنی و عملکرد باتری خودروهای الکتریکی ایجاد کنند و به پیشرفت در هوانوردی با انرژی الکتریکی کمک کنند.
یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، دومینیک ملوین، دانشجوی دکترا در گروه مواد دانشگاه آکسفورد، گفت: پیشرفت باتری‌های حالت جامد با آندهای فلزی لیتیوم یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش روی بهبود فناوری باتری است. در حالی که باتری‌های لیتیوم یون امروزی به پیشرفت خود ادامه می‌دهند، تحقیقات در مورد باتری‌های حالت جامد این پتانسیل را دارد که پاداش بالایی داشته باشد و یک فناوری تحول برانگیز باشد.
Li-SSB ها از سایر باتری ها متمایز هستند زیرا آنها الکترولیت مایع قابل اشتعال را در باتری های معمولی با یک الکترولیت جامد جایگزین می کنند و از فلز لیتیوم به عنوان آند (الکترود منفی) استفاده می کنند. استفاده از الکترولیت جامد ایمنی را بهبود می بخشد و استفاده از فلز لیتیوم به این معنی است که انرژی بیشتری می تواند ذخیره شود. با این حال، یک چالش مهم در مورد باتری های Li-SSB این است که هنگام شارژ شدن به دلیل رشد دندریت ها (رشته هایی از فلز لیتیوم که از طریق الکترولیت سرامیکی ترک می خورند) مستعد اتصال کوتاه می شوند. به عنوان بخشی از پروژه SOLBAT موسسه فارادی، محققان دپارتمان‌های مواد، شیمی و علوم مهندسی دانشگاه آکسفورد، یک سری تحقیقات عمیق را برای درک بیشتر در مورد چگونگی این اتصال کوتاه انجام داده‌اند.
در آخرین مطالعه، این گروه از یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته به نام توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس در منبع نور الماس برای تجسم شکست دندریت با جزئیات بی سابقه در طول فرآیند شارژ استفاده کردند. مطالعه تصویربرداری جدید نشان داد که شروع و انتشار ترک‌های دندریتی فرآیندهای جداگانه‌ای هستند که توسط مکانیسم‌های اساسی متمایز هدایت می‌شوند. ترک‌های دندریت زمانی شروع می‌شوند که لیتیوم در منافذ زیر سطحی تجمع می‌یابد. هنگامی که منافذ پر می شوند، شارژ بیشتر باتری فشار را افزایش می دهد و منجر به ترک خوردن می شود. در مقابل، پخش شدن اتفاق می‌افتد و لیتیوم از طریق مکانیزم باز کردن گوه که ترک را از پشت باز می‌کند تا حدی شکاف را پر می‌کند.
این درک جدید راه رو به جلو برای غلبه بر چالش های تکنولوژیکی Li-SSB ها را نشان می دهد. دومینیک ملوین گفت: به عنوان مثال، در حالی که فشار در آند لیتیوم می تواند برای جلوگیری از ایجاد شکاف در سطح مشترک با الکترولیت جامد در تخلیه شارژ خوب باشد، نتایج ما نشان می‌دهد که فشار بیش از حد می‌تواند مضر باشد و انتشار دندریت و اتصال کوتاه در هنگام شارژ را بیشتر محتمل می‌کند.
سر پیتر بروس، پروفسور مواد در دانشگاه آکسفورد، دانشمند ارشد موسسه فارادی، و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت: فرآیندی که طی آن فلز نرمی مانند لیتیوم می‌تواند به یک الکترولیت سرامیکی سخت بسیار متراکم نفوذ کند، توسط بسیاری از دانشکندان جهان ثابت شده است که می تواند چالش بر انگیز باشد. ما امیدواریم که بینش های مضاعفی که به دست آورده ایم به پیشرفت تحقیقات باتری های حالت جامد به سمت یک دستگاه کاربردی کمک کند.
طبق گزارش اخیر موسسه فارادی، SSB ها ممکن است تا سال 2040 50 درصد تقاضای جهانی برای باتری در لوازم الکترونیکی مصرفی، 30 درصد در حمل و نقل و بیش از 10 درصد در هواپیما را پاسخ بدهند.
پروفسور پم توماس، مدیر عامل موسسه فارادی، گفت: محققان SOLBAT به توسعه درک مکانیکی از خرابی باتری حالت جامد ادامه می دهند. این مانع باید قبل از تحقق باتری های پرقدرت با عملکرد تجاری مرتبط برای کاربردهای خودروسازی، برطرف شود. این پروژه در حال اطلاع رسانی استراتژی هایی است که سازندگان سلول باتری ممکن است برای جلوگیری از خرابی باتری خود از این فناوری استفاده کنند. این تحقیق الهام گرفته از کاربرد، نمونه‌ای بارز از نوع پیشرفت‌های علمی است که موسسه فارادی برای پیشبرد آن راه‌اندازی شده است.
