همکاری بین محققان دانشگاه ملی یوکوهوما در ژاپن و دانشگاه نیو ساوت ولز سیدنی استرالیا منجر به توسعه یک ماده الکترود جدید شده است که می تواند در باتری های حالت جامد استفاده شود.
به گزارش تکناک، در این باتری حالت جامد الکترود پس از چند بار چرخه شارژ و تخلیه ضعیف نمی شود و می تواند به ساخت باتری های بادوام برای وسایل نقلیه الکتریکی منتهی شود.
از آنجایی که جهان در تلاش برای کاهش انتشار کربن به روش‌های حمل‌ونقل الکتریکی روی می‌آورد، باتری به یک موضوع کانونی برای توسعه تبدیل شده است. باتری به عنوان نیروگاه خودرو، نیاز به حداکثر قدرت و همچنین استقامت بالا در هر زمانی دارد.
در حالی که زمان شارژ زیاد باعث می شود تغییر به سمت وسایل نقلیه الکتریکی جذاب نباشد، اما باتری آن باید به اندازه کافی ارزان باشد تا استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی را تشویق کند. اگرچه پیشرفت هایی در توسعه باتری های لیتیوم یون حاصل شده است، باتری های حالت جامد (SSBs) نیز به عنوان جایگزین مورد توجه قرار گرفته اند.
مشکل باتری های حالت جامد
برخلاف باتری‌های لیتیوم یونی معمولی، SSB ها الکترولیت مایع ندارند و از مواد کاملاً جامد ساخته شده‌اند، به همین دلیل این نام برای آنها انتخاب شده است. مزیت اصلی این فناوری ایمنی آن است زیرا یک SSB مواد شیمیایی سمی را حتی در صورت سوراخ شدن نشت نمی دهد. با این حال، به دلیل مشکلات دوام ، کمتر مورد استقبال قرار گرفته اند.
در طول فرآیند شارژ و دشارژ، زمانی که یون های لیتیوم از الکترودهای یک SSB وارد یا خارج می شوند ، ساختار کریستالی مواد دستخوش تغییر می شود و بسته به چرخه بار، منبسط و منقبض می شود. در بیانیه مطبوعاتی آمده تغییرات در حجم آسیب در حدفاصل بین الکترود و الکترولیت جامد باعث تغییرات غیرقابل برگشت در شیمی کریستال می شود.
چگونه محققان آن را حل کردند؟
نائوآکی یابوچی، استاد دانشگاه ملی یوکوهوما در ژاپن، تیمی از محققان را رهبری کرد که ماده جدیدی را برای الکترود مثبت یک SSB کشف کردند. این تیم روی Li8/7Ti2/7V4/7O2، یک سیستم دوتایی متشکل از بخش‌هایی از لیتیوم تیتانات (Li2TiO3) و لیتیوم وانادیم دی‌اکسید (LiVO2) متمرکز شده اند.
هنگامی این مواد که به اندازه ذرات نانومتری آسیاب گرد شوند، این ماده به لطف تعداد زیادی یون لیتیوم که می توانند به طور برگشت پذیر در طی فرآیند شارژ و دشارژ وارد و خارج شوند، ظرفیت بالایی را ارائه خواهد داد.
برخلاف موادی که قبلاً برای الکترودهای مثبت استفاده شده‌اند، موادی به تازگی مورد آزمایش قرار گرفته در هنگام شارژ یا تخلیه کامل همان حجم را اشغال می‌کنند. محققان دریافتند که این ویژگی منحصر به فرد به دلیل تعادل خوب دو پدیده مستقل است که در طول فرآیند شارژ و تخلیه رخ می دهد.
هنگامی که یون های لیتیوم از الکترود حذف می شوند، حجم آزاد ساختار کریستالی افزایش می یابد که باعث انقباض آن می شود. با این حال، برخی از یون های وانادیوم به این فضاهای تازه خالی شده حرکت می کنند و حالت اکسیداسیون بالاتری به دست می آورند. برهم کنش دافعه با اکسیژن پس از این باعث می شود که ساختار شبکه کریستالی منبسط شود و اندازه الکترود را حفظ کند.
محققان مواد جدید خود را در یک SSB با ظرفیت 300 میلی آمپر ساعت بر گرم آزمایش کردند. بیش از 400 چرخه شارژ و دشارژ انجام شد، اما الکترود هیچ نشانه ای از تخریب را نشان نداد. محققان امیدوارند با بهبود بیشتر مواد الکترود، باتری‌هایی بسازند که برای خودروهای الکتریکی مناسب باشد.
یابوچی در بیانیه مطبوعاتی گفت: توسعه باتری‌های حالت جامد با عمر طولانی و کارایی بالا می‌تواند برخی از مشکلات خودروهای الکتریکی را حل کند. در آینده، ممکن است بتوان یک وسیله نقلیه الکتریکی را در کمتر از پنج دقیقه به طور کامل شارژ کرد.
