محققان توانستند نانو پوششی از جنس نیترید بور را برای تثبیت الکترولیت های جامد درون باتری های لیتیوم فلزی توسعه بدهند که علاوه بر تضمین ایمنی باتری، عمر آن را نیز افزایش خواهد داد.
بهبود قابلیت ذخیره انرژی و افزایش طول عمر در کنار ایمن بودن باتری ها، روز به روز با افزایش وابستگی به منابع تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی و همچنین خودروهای برقی، اهمیت دوچندانی یافته است.
به نقل از Science daily، اخیره گروهی از پژوهشگران دانشگاه کلمبیا تحت رهبری «یوآن یانگ» اعلام کرده اند که با ایجاد یک پوشش نانویی از نیترید بور برای تقویت و تثبیت الکترولیت های جامد موجود در باتری های لیتیوم فلزی، روشی جدید برای افزایش طول عمر و نیز ایمنی باتری ها پیدا کرده اند.
اگر چه باتری های لیتیوم یون معمولی در حال حاضر به طور گسترده در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند اما تراکم انرژی پایین آنها مشکل ساز است؛ به این ترتیب که منجر به کوتاه شدن طول عمر باتری شده و به علت اینکه درون آنها الکترولیت مایع قابل اشتعال وجود دارد، می تواند آتش بگیرد.
موضوع تراکم انرژی در باتری های لیتیوم یون می تواند از طریق جایگزین کردن آند گرافیتی با خود فلز Liبهبود پیدا کند.
از نظر علمی، ظرفیت فلز لیتیوم در برابر گرافیت از نظر مقدار شارژی که می تواند ارائه کند، حدود ۱۰ برابر بیشتر است؛ اما در جریان آبکاری لیتیوم، غالبا دندریت هایی شکل می گیرد و اگر این ریشه ها به غشای جدا کننده باتری نفوذ کند، قادر خواهد بود تا مدارهای کوتاهی ایجاد کند که از نظر ایمنی باتری، یک مشکل محسوب می شود.
مسئول ارشد این تحقیق، پروفسور یانگ می گوید:
«ما تصمیم گرفتیم روی الکترولیت های جامد سرامیکی تمرکز کنیم. آنها در مقایسه با الکترولیت های قابل اشتعال معمول متداول در باتری های لیتیوم، از نظر ایمنی و تراکم انرژی، بهتر هستند. ضمن آنکه ما به باتری های لیتیومی جامد قابل شارژ علاقه داریم؛ چرا که می توان در آینده از آنها برای ذخیره کردن انرژی استفاده کرد.»
اغلب الکترولیت های جامد، از جنس سرامیک هستند و به همین دلیل غیر قابل اشتعال می باشند. این پدیده سبب برطرف شدن نگرانی های مرتبط با ایمنی باتری است. جدای از این، الکترولیت های جامد سرامیکی از قدرت مکانیکی بالایی برخوردار هستند که می توانند مانع از رشد دندریت های لیتیومی شوند.
در چنین شرایطی می تواند از فلز Liبه عنوان آند باتری استفاده کرد. با این حال بیشتر الکترولیت های جامد در برابر لیتیم ناپایدار بوده و به راحتی توسط فلز Liخورده می شوند.
کویان چنگ، نویسنده دیگر این مقاله می گوید:
«Li فلزی است که برای افزایش تراکم انرژی ضروری است و به همین دلیل مهم است که ما بتوانیم از آن به عنوان آند الکترولیت های جامد استفاده کنیم.
برای منطبق کردن الکترولیت های جامد ناپایدار به کاربردهای حقیقی، ما باید لایه محافظ پایداری (از نظر شیمیایی و مکانیکی) را توسعه دهیم تا بتوانیم از الکترولیت های جامد در برابر آند لیتیوم محافظت کنیم.
این واسط باید از نظر الکتریکی بسیار عایق باشد و در عین حال از نظر یونی رسانا باشند؛ یعنی امکان انتقال یون های لیتیوم را فراهم کند. علاوه بر این، این واسط باید بسیار نازک باشد تا موجب کاهش تراکم انرژی باتری نشود.»
ساخت باطری لیتیومی بادوام در دانشگاه کلمبیا
در تصویر بالا و سمت چپ، نشان می دهد که صفحه لیتیوم آلومینیم تیتانیوم فسفات (LATP) به محض تماس با فلز لیتیوم کاهش می یابد. واکنش جانبی شدید بین لیتیوم و الکترولیت جامد طی چندین چرخه باتری را از کار می اندازد.
تصویر سمت راست نشان می دهد که یک غشای مصنوعی نیترید بور از لحاظ شیمیایی و مکانیکی در برابر لیتیوم مقاوم است. این غشا ارتباط الکتریکی LATPو لیتیوم را قطع می کند اما با این شرایط با ممکن ساختن جریان یونی، موجب پایداری چرخه می شود. مسیرهای یونی با استفاده از پلی اتیلن اکسید (PEO) ایجاد می شود.
در حالی که در مطالعات پیشین از لایه های محافظ پلیمری استفاده می شد که ضخامت آنها به ۲۰۰ میکرومتر هم می رسید، رشته های مورد استفاده در این طرح تنها ۵ تا ۱۰ نانومتر ضخامت دارند و در چنین حدی از نازکی، تراکم انرژی باتری پایین نمی آید و عمل محافظت نیز به خوبی انجام می شود.
این ماده کاملا از هجوم فلز Li به الکترولیت جامد ممانعت می کند. دقیقا مشابه یک جلیقه ضد گلوله، ما برای الکترولیت های جامد ناپایدار یک جلیقه ضد فلز لیتیوم توسعه دادیم و با این نوآوری، طول عمر باتری های لیتیومی بیشتر خواهد شد.
در حال حاضر محققان در حال آزمایش روش خود بر روی طیف وسیعی از الکترولیت های جامد ناپایدار و نیز بهینه کردن بیشتر لایه محافظ هستند.
آنها انتظار دارند که بتوانند باتری های جامد دارای عملکرد بالا و طول عمر طولانی را به مرحله تولید برسانند.