افزایش طول عمر باتری خودروهای برقی با روشی نوین

پژوهشگران در دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH)، فناوری باتری خودروهای الکتریکی را با توسعۀ روشی برای سنتز مواد کاتدی تک بلور بادوام، در راستای افزایش عمر و کارایی باتری، توسعه داده‌اند.

به‌گزارش تک‌ناک، این تکنولوژی می‌تواند باعث توسعۀ باتری‌هایی شود که تا یک میلیون کیلومتر دوام بیاورند. در این راستا تیم تحقیقاتی، تأثیر دمای سنتز را بر کیفیت بلورهای تکی و عملکرد بلندمدت آنها بررسی کرده‌اند.

آیا تک بلورهای با دمای بالا می‌توانند باعث دوام باتری خودروهای الکتریکی تا یک میلیون کیلومتر شوند؟ بله، این امکان‌پذیر است.

تیمی از پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت پوهانگ (POSTECH) با رهبری پروفسور کیو یونگ پارک و همکاری POSCO Holdings N.EX.T Hub، با موفقیت یک فناوری سنتز تک بلور را توسعه داده‌اند، که طول عمر مواد کاتدی مورد استفاده در وسایل نقلیۀ الکتریکی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

این تحقیق در مجلۀ ACS Materials & Interfaces منتشر شده است.

باتری‌های ثانویۀ لیتیوم (Li) که اغلب در خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند، انرژی را با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی و تولید الکتریسیته برای آزاد کردن انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی از طریق حرکت یون‌ها بین کاتد و آند، ذخیره می‌کنند. این باتری‌های ثانویه اغلب از مواد کاتدی نیکل (Ni) بهره می‌گیرند، چرا که ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیوم یون بالایی دارند. مواد سنتی مبتنی بر نیکل دارای مورفولوژی پلی‌بلوری متشکل از بلور ریز بسیاری هستند که ممکن است در طول شارژ و تخلیه دچار تخریب ساختاری شوند و به طور قابل‌توجهی طول عمر آنها را کاهش دهند.

مزایای مواد کاتدی تک بلور

یک رویکرد برای رفع این مشکل، تولید مواد کاتد به شکل تک بلور است. ایجاد مواد کاتدی مبتنی بر نیکل به صورت تک ذرات بزرگ یا تک بلور، می‌تواند پایداری و دوام ساختاری و شیمیایی آنها را افزایش دهد.

مشخص است که مواد تک بلور در دماهای بالا سنتز و سفت می‌شوند. با وجود این، روند دقیق سخت شدن در طول سنتز و شرایط خاصی که باعث این اتفاق می‌شوند، نامشخص است.

در راستای بهبود دوام مواد کاتد نیکل برای وسایل نقلیۀ الکتریکی، محققان روی شناسایی یک دمای خاص که به عنوان دمای بحرانی نامیده می‌شود، تمرکز کردند که در آن مواد تک بلور با کیفیت بالا سنتز می‌شوند.

آنها دماهای مختلف سنتز را در راستای تعیین شرایط بهینه برای تشکیل تک بلورها در سنتز یک مادۀ کاتدی مبتنی بر نیکل (N884) بررسی کردند. این تیم به طور سیستماتیک متوجه تأثیر دما بر ظرفیت و عملکرد طولانی مدت مواد شدند.

محققان کشف کردند که مواد پلی بلور معمولی سنتز شده در زیر دمای بحرانی خاص، با استفادۀ طولانی مدت در باتری‌های ثانویه، مستعد تخریب هستند. با وجود این، هنگامی که بالاتر از این دمای بحرانی سنتز شوند، تک بلورهای با کیفیت بالا را تولید می‌کنند که باعث ساخت موادی با طول عمر بالاتر می‌شود.

این پدیده به دلیل فرآیندی به نام تراکم رخ می‌دهد، که بالاتر از یک دمای بحرانی خاص اتفاق می‌افتد. در طول این فرآیند، اندازۀ دانه‌های داخلی مواد افزایش می‌یابد و فضاهای خالی درون مواد به‌طور متراکم پُر می‌شوند. تک بلورهای متراکم شده، بسیار سخت و مقاوم در برابر تخریب در دوره‌های طولانی هستند، که به طور قابل‌توجهی دوام آنها را افزایش می‌دهد.

بر اساس این یافته‌ها، پژوهشگران تأیید کردند که سنتز تک بلورها در بالای دمای بحرانی، یک استراتژی سودمند برای طراحی مواد است. همچنین آنها روش مؤثری برای سنتز مواد تک کریستالی با کیفیت بالا پیشنهاد کردند.