MIT Discovery   باتری لیتیومی ایمن و سبک‌تر می‌سازد

محققان موسسه فناوری ماساچوست به پیشرفتی دست یافته اند که می تواند راه را برای توسعه یک باتری لیتیومی قابل شارژ انقلابی را هموار کند.

به گزارش تکناک، انتظار می‌رود این طراحی جدید سبک‌تر، جمع‌وجورتر و ایمن‌تر از مدل‌های موجود باشد.

باتری های لیتیومی حالت جامد تحت تأثیر رشد رشته های فلزی شاخه مانند قرار می گیرند. یک مطالعه اخیر به بررسی شکل گیری این رشته ها می پردازد و راه حلی برای جلوگیری از شکل گیری آنها و حفظ انرژی باتری ارائه می دهد.

کلید این جهش بالقوه در فناوری باتری، جایگزینی الکترولیت مایع بین الکترودهای مثبت و منفی با یک لایه بسیار نازک‌تر و سبک‌تر از مواد سرامیکی جامد و جایگزینی یکی از الکترودها با فلز لیتیوم جامد است. این امر تا اندازه زیادی و وزن کلی باتری را کاهش می دهد و خطر ایمنی مرتبط با الکترولیت های مایع را که قابل اشتعال هستند از بین می برد. اما این تلاش با یک مشکل بزرگ مواجه شده است وآن دندریت ها هستند.

دندریت‌ها که نام آن‌ها از لاتین شاخه‌ها می‌آید، برآمدگی‌های فلزی هستند که می‌توانند روی سطح لیتیوم جمع شوند و به درون الکترولیت جامد نفوذ کنند و در نهایت از یک الکترود به الکترود دیگر عبور کنند و سلول باتری را کوتاه کنند.

محققان نتوانسته‌اند در مورد اینکه چه چیزی باعث پیدایش این رشته‌های فلزی می‌شود به توافق برسند، و همچنین پیشرفت زیادی در مورد نحوه جلوگیری از تشکیل آنها و در نتیجه تولید باتری های کار آمد تر صورت نگرفته است.

به نظر می رسد این تحقیق جدید در مقاله ای که اخیراً در مجله Joule توسط پروفسور یت مینگ چیانگ و دانشجوی تحصیلات تکمیلی کول فینچر و پنج نفر دیگر از دانشگاه های MIT و براون منتشر شده است، این سوال را حل کند که چه چیزی باعث تشکیل دندریت می شود. همچنین نشان می دهد که چگونه می توان از عبور دندریت ها از الکترولیت جلوگیری کرد.

چیانگ می‌گوید در کار قبلی این گروه، آن‌ها به یافته‌ای «غافلگیرکننده و غیرمنتظره» دست یافتند، و آن این بود که مواد الکترولیت سخت و جامد مورد استفاده برای باتری حالت جامد می‌توانند توسط لیتیوم، که یک فلز بسیار نرم است، در طول فرآیند شارژ و دشارژ باتری که یون های لیتیوم بین دو طرف حرکت میکنند مورد نفوذ قرار بگیرد.

این رفت و برگشت یون ها باعث تغییر حجم الکترودها می شود. این امر ناگزیر باعث ایجاد تنش در الکترولیت جامد می شود که باید به طور کامل با هر دو الکترود که بین آنها قرار می گیرد در تماس باقی بماند. چیانگ می‌گوید: برای رسوب این فلز، حجم آن باید افزایش یابد، زیرا جرم جدیدی اضافه می‌کنید. بنابراین، افزایش حجم در سمت سلولی که لیتیوم در آن رسوب می‌کند، وجود دارد. و اگر نقص های میکروسکوپی وجود داشته باشد، این باعث ایجاد فشار بر روی آن معایب می شود که می تواند باعث ترک خوردن شود.

تیم اکنون نشان داده است که این فشارها باعث ایجاد ترک هایی می شود که به دندریت ها اجازه تشکیل می دهند. به نظر می رسد که راه حل مشکل تنش بیشتر است که باید در جهت صحیح و با مقدار نیروی مناسب اعمال شود.

در حالی که قبلاً، برخی از محققان فکر می کردند که دندریت ها به جای فرآیند مکانیکی، توسط یک فرآیند الکتروشیمیایی صرف تشکیل می شوند، آزمایشات تیم نشان می دهد که این تنش های مکانیکی هستند که باعث ایجاد مشکل می شوند.

فرآیند تشکیل دندریت به طور معمول در اعماق مواد مات سلول باتری انجام می‌شود و نمی‌توان مستقیماً آن را مشاهده کرد، بنابراین فینچر راهی برای ساخت سلول‌های نازک با استفاده از یک الکترولیت شفاف ایجاد کرد که اجازه می‌دهد کل فرآیند مستقیماً دیده و ثبت شود. او می‌گوید: شما می‌توانید ببینید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی فشرده‌سازی را روی سیستم اعمال کنید، و می‌توانید متوجه شوید که آیا دندریت‌ها به گونه‌ای رفتار می‌کنند که متناسب با فرآیند خوردگی است یا فرآیند شکستگی؟

این تیم نشان داد که آنها می‌توانند رشد دندریت‌ها را مستقیماً با اعمال و آزاد کردن فشار دستکاری کنند و باعث شوند که دندریت‌ها در توازن کامل جهت نیرو حرکت کنند.

اعمال تنش های مکانیکی به الکترولیت جامد، تشکیل دندریت ها را از بین نمی برد، اما جهت رشد آنها را کنترل می کند. این بدان معنی است که می توان آنها را به موازات دو الکترود هدایت کرد و از عبور آنها به طرف دیگر جلوگیری کرد و در نتیجه بی ضرر شوند.

در آزمایشات خود، محققان از فشار ناشی از خم کردن مواد استفاده کردند و یک تیر با وزن بیشتر در یک طرف ایجاد کردند. اما آنها می گویند که در عمل، راه های مختلفی برای ایجاد تنش مورد نیاز وجود دارد. به عنوان مثال، الکترولیت را می توان با دو لایه مواد که دارای مقادیر متفاوتی از انبساط حرارتی هستند، ساخته شود، به طوری که مانند برخی از ترموستات ها، خمش ذاتی مواد وجود داشته باشد.

رویکرد دیگر این است که مواد را با اتم‌هایی که در آن قرار داده میشود، دستکاری کنید، سپس آنها را واپیچیده کرده و آن در حالت استرس دائمی رها کنید. چیانگ توضیح می دهد که این همان روشی است که برای تولید شیشه فوق سخت مورد استفاده در صفحه نمایش گوشی های هوشمند و تبلت ها استفاده می شود. و مقدار فشار مورد نیاز زیاد نیست: آزمایش‌ها نشان داد که فشارهای 150 تا 200 مگا پاسکال برای جلوگیری از عبور دندریت‌ها از الکترولیت کافی است.

فینچر اضافه می‌کند که فشار مورد نیاز متناسب با تنش‌هایی است که معمولاً در فرآیندهای رشد لایه های نازک تجاری و بسیاری از فرآیندهای تولید دیگر ایجاد می‌شوند، بنابراین اجرای آن در عمل دشوار نیست.

در واقع، نوع دیگری از تنش، به نام فشار پشته، اغلب به سلول‌های باتری اعمال می‌شود، که اساساً مواد را در جهت عمود بر صفحات باتری فشار می‌دهند که تا حدودی مانند فشرده کردن ساندویچ با قرار دادن وزنه روی آن است.

تصور می شد که این ممکن است به جلوگیری از جدا شدن لایه ها کمک کند. اما آزمایش‌ها اکنون نشان داده‌اند که فشار در آن جهت در واقع تشکیل دندریت را تشدید می‌کند.  فینچر می‌گوید: ما نشان دادیم که این نوع فشار پشته‌ای در واقع شکست ناشی از دندریت را تسریع می‌کند.

چیزی که در عوض مورد نیاز است فشار در امتداد سطح صفحات است، به گونه ای که گویی ساندویچ از طرفین فشرده می شود. فینچر می‌گوید: آنچه در این کار نشان داده‌ایم این است که وقتی نیروی فشاری اعمال می‌کنید، می‌توانید دندریت‌ها را مجبور کنید در جهت فشرده‌سازی حرکت کنند، و اگر این جهت در امتداد سطح صفحات باشد، دندریت‌ها می‌خواهند هرگز به طرف مقابل نروند.

این در نهایت می تواند تولید باتری با استفاده از الکترولیت جامد و الکترودهای لیتیوم فلزی را عملی کند. اینها نه تنها انرژی بیشتری را به حجم و وزن معین بسته می کنند، بلکه نیاز به الکترولیت های مایع را که مواد قابل اشتعال هستند، از بین می برند.

چیانگ می‌گوید: پس از نشان دادن اصول اولیه تاثیر گذار، گام بعدی تیم تلاش برای استفاده از آن‌ها برای ایجاد یک نمونه اولیه باتری کاربردی و سپس کشف اینکه دقیقاً چه فرآیندهای تولیدی برای تولید چنین باتری‌هایی مورد نیاز است، خواهد بود. او می‌گوید: اگرچه آنها برای ثبت اختراع این نوآوری اقدام لازم را انجام دادند، اما محققان قصد ندارند خودشان این سیستم را تجاری کنند، زیرا در حال حاضر شرکت‌هایی وجود دارد که روی توسعه باتری‌های حالت جامد کار می‌کنند. او اضافه می کند: می‌توانم بگویم این درک حالت‌های خرابی در باتری‌های حالت جامد است که ما معتقدیم صنعت باید از آن آگاه باشد و سعی کند در طراحی محصولات بهتر از آن استفاده کند.