تصور کنید باتریای داشته باشید که برای افزایش دوام، بهجای سنگینتر شدن، وزن اضافی را کنار بگذارد. این همان وعده باتریهای لیتیومی بدون آند است: حذف آند حجیم گرافیتی و رسوب مستقیم لیتیوم روی یک فویل نازک مسی. در تئوری، انرژی بیشتری به ازای هر کیلوگرم به دست میآید. اما در عمل، خطر شکلگیری شاخههای تیز و منشعب لیتیوم به نام دندریت وجود دارد که میتوانند سلول را اتصال کوتاه کنند و ظرفیت باتری را از بین ببرند.
پژوهشگران مؤسسه پیشرفته علم و فناوری کره، کاایست، برای حل همین مشکل از تجربه کارخانههای ساخت نیمهرسانا الهام گرفتهاند. آنها با ترکیب میکروساخت و روشهای شیمی سطح، جمعکننده جریان مسیای طراحی کردهاند که لیتیوم را به رسوب یکنواختتر تشویق میکند و طی چرخههای شارژ، یک لایه محافظ پایدار را در همان محل شکل میدهد. نتیجه، باتری را سبک نگه میدارد و همزمان با سازوکارهایی مقابله میکند که باعث فرسودگی آن میشوند.
این روش دو حرکت متمایز را با هم ترکیب میکند: توپوگرافی و شیمی. نخست، این گروه با استفاده از یک روش لیتوگرافی دقیق که از صنعت تراشهسازی اقتباس شده، آرایهای از لولههای میکروسکوپی را روی فویل مسی ایجاد کرد. قطر هر لوله حدود ۳۰۰ نانومتر و ارتفاع آن حدود ۱۵۰ نانومتر است. این معماری بسیار ریز، سطح الکترود را به حدود چهار برابر یک فویل صاف افزایش میدهد و لیتیوم ورودی را روی تعداد بسیار بیشتری از نقاط جوانهزنی پخش میکند. بهجای تمرکز لیتیوم در چند نقطه داغ و تشکیل دندریتهای سوزنی، لیتیوم میتواند بهصورت یکنواخت روی کل سطح رسوب کند.
در گام دوم، سطح با پوششی فوقنازک از امایکسین پوشانده میشود؛ مادهای دوبعدی با ضخامت تنها حدود ۱۰ نانومتر. امایکسین نقش یک سپر نهایی را بازی نمیکند. بلکه مانند یک آستر عمل میکند: گونههای موجود در الکترولیت را جذب میکند و تشکیل یک میانلایه محافظ غنی از فلورید لیتیوم را هدایت میکند. در الکترولیت مبتنی بر لیتیم هگزافلوئوروفسفات این گروه، آن لایه غالبا متشکل از فلورید لیتیوم، واکنشهای ناخواسته میان لیتیوم فلزی و الکترولیت مایع را کاهش میدهد و به مهار رشد دندریت کمک میکند.
این رویکرد از برخی مصالحههای رایج عبور میکند. راهکارهای پیشین اغلب برای جبران افت ظرفیت و ناپایداری، لیتیوم اضافی یا لایههای محافظ ضخیمتر اضافه میکردند. این کار مؤثر است، اما مزیتهای وزنی و حجمی را که طراحیهای بدون آند را برای خودروهای برقی جذاب میکند، کاهش میدهد. روش کاایست قصد دارد عمر چرخهای باتری را بدون افزودن حجم اضافی بهبود دهد و برتری انرژی به ازای جرم را حفظ کند.
پژوهشگران برای اعتبارسنجی رفتار این طراحی، مشخصهیابی مواد و آزمونهای دقیق سلولی را با هم ترکیب کردند. آنها نمونهها را از تماس با هوا دور نگه داشتند و با استفاده از طیفسنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، طیفسنجی جرمی یون ثانویه زمان پرواز و میکروسکوپ الکترونی عبوری، شیمی و ساختار را در مقیاس نانو نقشهبرداری کردند. این تحلیلها یک میانلایه محافظ یکنواخت را روی مس بافتدار پوششدادهشده با امایکسین نشان میدهد. خلاصه اینکه لولههای ریز، فضای بیشتری در اختیار لیتیوم میگذارند و امایکسین، شیمی مناسب را برای بادوام کردن همین فضا فعال میکند.
اعضای این گروه پژوهشی شامل جینوو لی و هی-ته جونگ از کاایست، بههمراه همکارانی از دانشگاه ملی کیونگپوک و مرکز ملی نانوفب هستند. لی توضیح میدهد که روشهای ساخت فوقریز در صنعت نیمهرسانا میتوانند بدون تغییر فرمولاسیون الکترولیت یا افزودن لیتیوم اضافی، محلهای رسوب یکنواخت و یک لایه محافظ پایدار ایجاد کنند. او معتقد است این فناوری میتواند تجاریسازی سلولهای بدون آند با انرژی بالا را شتاب دهد.
.avif)
گروه پژوهشی. ردیف بالا، از چپ: اونجی کیم، دانشجوی دکتری کاایست؛ هیونجو جونگ، دانشجوی دکتری کاایست؛ جینوک کیم، دانشجوی دکتری کاایست. ردیف پایین، از چپ: جینوو لی، استاد کاایست؛ هی-ته جونگ، استاد کاایست؛ یونگهی لی، استاد دانشگاه ملی کیونگپوک.
چرا این موضوع برای خودروهای برقی مهم است
نگرانی از برد حرکتی هنوز یکی از موانع اصلی پذیرش خودروهای برقی است. باتریهایی که انرژی بیشتری به ازای واحد جرم ذخیره میکنند، میتوانند برد را بدون بزرگتر کردن خودرو یا افزودن بستههای سنگین باتری افزایش دهند. طراحیهای بدون آند از این نظر جذاباند، اما فقط زمانی که بتوانند صدها یا هزاران چرخه شارژ را بدون خرابی تحمل کنند. رویکرد کاایست مستقیما دو عامل خرابی را هدف میگیرد که بیش از همه باعث پایان زودهنگام عمر سلولهای بدون آند میشوند: نفوذ دندریت و از دست رفتن پیوسته لیتیوم فعال بر اثر واکنشهای جانبی.
این موضوع در دنیای واقعی چه معنایی دارد؟ باتری سبکتر با همان حجم بسته، به برد رانندگی بیشتر یا امکان استفاده از بستههای باتری کوچکتر برای رسیدن به همان هدف برد منجر میشود. این مسئله بهرهوری خودرو را بهبود میدهد و میتواند هزینهها را در سراسر زنجیره تأمین، از مواد خام تا مدیریت حرارتی، کاهش دهد.
چالشهای فنی و گامهای بعدی
هیچ پیشرفتی بهتنهایی جایگزینی آماده برای تولید انبوه نیست. سازگار کردن لیتوگرافی اساسال و پوششهای امایکسین با فرایند تولید فویل رولبهرول در مقیاس بزرگ، یک چالش مهندسی کلیدی خواهد بود. نیمهرساناها در سطحهای کوچک و با دقت بسیار بالا تولید میشوند؛ اما تولید باتری به سرعت و صرفه اقتصادی در مقیاس مترمربع در دقیقه نیاز دارد. مقیاسپذیر کردن مس الگودار و اطمینان از یکنواخت و مقاوم ماندن لایه امایکسین در دورههای طولانی تولید، از مراحل ضروری پیش رو است.
همچنین پرسشهایی درباره سازگاری با الکترولیتها و قالبهای سلولی مختلف وجود دارد. نتایج گزارششده از سامانهای مبتنی بر لیتیم هگزافلوئوروفسفات استفاده میکنند که در آن امایکسین، تشکیل فلورید لیتیوم را هدایت میکند. نمکها یا افزودنیهای جایگزین ممکن است شیمی میانلایه را تغییر دهند و به تنظیم پوشش یا بافت سطح نیاز داشته باشند. با این حال، راهبرد کلیِ ترکیب توپوگرافی دقیق با تشکیل میانلایه هدایتشده با شیمی، کاربردپذیری گستردهای دارد.
دیدگاه کارشناس
«آوردن کنترل در سطح نیمهرساناها به الکترودهای باتری ایدهای قدرتمند است»، دکتر ماریا آلوارز، دانشمند مواد باتری که در این مطالعه مشارکت نداشته، میگوید. «این کار به شما اجازه میدهد طراحی کنید لیتیوم کجا بنشیند و سطح چگونه واکنش نشان دهد، نه اینکه صرفا امیدوار باشید فصل مشترک درست رفتار کند. نکته کلیدی، تبدیل این کنترل در مقیاس نانو به تولیدی اقتصادی و قابل اجراست. اگر این اتفاق بیفتد، اثر آن بر برد خودروهای برقی و طراحی بسته باتری میتواند چشمگیر باشد.»
ترکیب مس با ریزبافت مهندسیشده و آستر امایکسین، مسیری امیدوارکننده برای ساخت باتریهای بدون آند سبکتر، بادوامتر و بدون افزایش حجم ارائه میدهد.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.