محققان چینی باتری جامد سرامیکی غیرقابل اشتعال ساختهاند که در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد کار میکند و برای تجهیزات نظامی، هوافضا و پوشیدنی مناسب است.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، یک تیم پژوهشی به رهبری دانشگاه Tsinghua چین، این باتری لیتیومیونی حالت جامد کاملاً سرامیکی (ACMLB) را برای تأمین انرژی تجهیزات الکترونیکی مینیاتوری توسعه داده است. هدف اصلی این پروژه، ساخت منبع تغذیهای ایمن، مقاوم و قابل اعتماد برای دستگاههایی است که در شرایط بسیار سخت محیطی فعالیت میکنند.
یکی از مهمترین ویژگیهای این باتری، مقاومت حرارتی بسیار بالای آن است. نتایج این پژوهش نشان میدهد که باتری جدید در بازه دمایی صفر تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد، عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب خود را حفظ میکند. علاوه بر این، نمونه آزمایششده توانست شوک حرارتی ناگهانی با دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد را به مدت ۲۰ ثانیه بدون آسیب جدی پشت سر بگذارد.
محققان در مقاله پژوهشی خود اعلام کردهاند که باتریهای ACMLB علاوه بر عملکرد مناسب در دامنه دمایی گسترده، غیرقابل اشتعال هستند و سطح ایمنی بسیار بالایی ارائه میکنند. به گفته آنها، این ویژگیها میتواند باتری جدید را به گزینهای مناسب برای تجهیزات پوشیدنی و سامانههای الکترونیکی کوچک تبدیل کند.
باتریهای لیتیومیونی متداول که امروزه در تلفنهای هوشمند، لپتاپها و بسیاری از تجهیزات الکترونیکی استفاده میشوند، به دلیل چگالی انرژی بالا بسیار محبوب هستند. با وجود این، وجود الکترولیت مایع در این باتریها باعث میشود که در برابر گرمای شدید، سوراخ شدن یا آسیبهای مکانیکی، خطر آتشسوزی و حتی انفجار وجود داشته باشد.
همین محدودیت باعث شده است که استفاده از این باتریها در حوزههایی مانند صنایع هوافضا، تجهیزات نظامی، حسگرهای اینترنت اشیای صنعتی و محیطهای دارای دمای بالا با چالشهای جدی روبهرو شود.
باتریهای حالت جامد با جایگزین کردن الکترولیت مایع با مواد جامد، این خطر را تا حد زیادی کاهش میدهند. با وجود این، تولید باتریهای کاملاً سرامیکی برای تجهیزات کوچک تاکنون با یک مشکل مهندسی مهم روبهرو بوده است. هرچه ضخامت لایههای سرامیکی کاهش پیدا کند، چگالی انرژی افزایش مییابد، اما استحکام مکانیکی نیز به همان نسبت کاهش پیدا میکند و احتمال شکست ساختار باتری بیشتر میشود.
پژوهشگران دانشگاه Tsinghua برای حل این مشکل از یک معماری چندلایه استفاده کردند. آنها چندین لایه سرامیکی را روی یکدیگر قرار دادند تا هم ضخامت مناسب برای دستیابی به چگالی انرژی بالا حفظ شود و هم استحکام مکانیکی باتری افزایش پیدا کند. این طراحی علاوه بر افزایش مقاومت ساختاری، ظرفیت ذخیرهسازی هر سلول را نیز بیشتر میکند.
در فرایند همزینتر شدن مواد نیز یک لایه شیمیایی ویژه به صورت طبیعی در مرز میان لایههای سرامیکی شکل میگیرد. این لایه بسیار نازک تمام شکافهای داخلی را پر میکند و اجزای مختلف باتری را به یکدیگر متصل نگه میدارد. در عین حال، همین ساختار مسیر حرکت سریع یونهای لیتیوم را نیز فراهم میکند و مانعی برای انتقال بار الکتریکی ایجاد نمیشود.
این روش تولید، امکان ساخت باتریهایی با ابعاد و ظرفیتهای مختلف را فراهم میکند. در نتیجه، سازندگان میتوانند بسته به نوع دستگاه، باتری مناسب را طراحی کنند، بدون آنکه پایداری عملکرد آن در دماهای مختلف کاهش پیدا کند.
همچنین محققان اعلام کردهاند که باتری جامد سرامیکی در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد نیز بدون مشکل به فعالیت خود ادامه میدهد. این در حالی است که یک باتری معمولی تلفن هوشمند در چنین دمایی ظرف مدت کوتاهی متورم میشود، آسیب میبیند یا حتی دچار آتشسوزی شیمیایی خواهد شد.
آزمایشهای انجامشده در دمای اتاق نیز نتایج امیدوارکنندهای به همراه داشته است. نمونه آزمایششده پس از ۱۰۰ چرخه شارژ و تخلیه، بیش از ۷۶ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد و در تمام این مدت توان خروجی پایداری ارائه داد. طبق دادههای پژوهش، یک مجموعه ۱۰ سلولی موازی با ظرفیت اولیه ۱۰۵ میکروآمپرساعت، پس از ۱۰۰ چرخه همچنان ظرفیت ۸۰ میکروآمپرساعت را حفظ کرد که معادل حفظ ۷۶٫۲ درصد ظرفیت اولیه است.
یکی دیگر از مزیتهای مهم این فناوری، سادگی فرایند تولید آن است. این باتری برای حفظ ساختار خود به هیچ فشار خارجی نیاز ندارد و برخلاف بسیاری از فناوریهای پیشرفته، امکان تولید آن در هوای معمولی وجود دارد. بنابراین، تولیدکنندگان نیازی به استفاده از اتاقهای خلأ یا تجهیزات بسیار گرانقیمت نخواهند داشت و این موضوع میتواند هزینه تولید انبوه را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
پژوهشگران تأکید کردهاند که این باتری جامد سرامیکی کاملاً غیرقابل اشتعال است و حتی در صورت قرار گرفتن در معرض آتش مستقیم نیز ساختار خود را حفظ میکند. همچنین پایداری حرارتی آن در مقایسه با باتریهای دارای الکترولیت مایع، پلیمری یا کامپوزیتی بهمراتب بیشتر است.
به اعتقاد تیم تحقیقاتی، این فناوری میتواند روند تجاریسازی تجهیزات الکترونیکی تمامحالتجامد را سرعت ببخشد. چگالی انرژی بالا، مقاومت در برابر دماهای شدید، ایمنی قابل توجه و قابلیت تولید با هزینه کمتر، این باتری را به گزینهای مناسب برای نسل آینده حسگرهای هوشمند، تجهیزات هوافضا، سامانههای نظامی و انواع دستگاههای پوشیدنی تبدیل میکند.
