اصول طراحی بی‌سابقه برای افزایش چگالی انرژی باتری‌های حالت جامد
یک تیم از پژوهشگران کره‌ای اولین اصول طراحی جهانی برای باتری‌های حالت جامد را معرفی کرده‌اند که یک تغییر بزرگ در این حوزه است.
آنها همچنین یک ابزارک طراحی باتری حالت جامد با استفاده از این اصول طراحی توسعه داده‌اند.
این پیشرفت یک خلا بحرانی در تحقیقات طراحی باتری‌ها را برطرف می‌کند که پیشتر کمبود استانداردهای مرجع داشتند.
«ارائه اولین اصول طراحی جهانی برای باتری‌های حالت جامد و توسعه و اشتراک‌گذاری ابزارک طراحی یک مزیت بزرگ برای حوزه طراحی باتری‌های حالت جامد خواهد داشت»، محققان اظهار داشتند.
این می‌تواند توسعه و پذیرش باتری‌های حالت جامد را که به عنوان آینده ذخیره انرژی شناخته می‌شوند، تسریع کند. علاوه بر این، باتری‌های حالت جامد با چگالی انرژی بالاتر نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی، وعده افزایش برد خودروهای الکتریکی همراه با افزایش ایمنی و شارژ سریعتر را می‌دهند.
ظهور باتری‌های حالت جامد
تقاضای جهانی برای فناوری باتری پیشرفته با افزایش توجه به برقی‌سازی افروخته شده است. و باتری‌های حالت جامد که گزینه‌ای امن‌تر و پر انرژی‌تر نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی هستند، مرکز توجه قرار گرفته‌اند.
استفاده از الکترولیت‌های جامد غیر قابل اشتعال، خطر آتش‌سوزی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، طراحی کارآمد سلول و سیستم آنها منجر به افزایش قابل توجهی در چگالی انرژی می‌شود.
اگرچه تحقیقات پایه‌ای بر روی باتری‌های حالت جامد پیشرفت کرده است، انتقال از نتایج آزمایشی به کاربردهای دنیای واقعی به دلیل فقدان اصول طراحی علمی موجود با موانعی روبرو شده است.
پژوهشگران عمدتاً به تجربه برای ترکیب مواد و کنترل پارامترهای طراحی متکی بوده‌اند. این، به نوبه خود، گاهی اوقات می‌تواند به ناکارآمدی‌ها منجر شود.
غلبه بر چالش‌های طراحی
تیم پژوهشی کره‌ای پارامترهای طراحی کمّی برای باتری‌ها را تعیین کرده است. آنها شامل آستانه تعادل، آستانه گذر، و آستانه بارگیری هستند.
این پارامترها پایه‌های اولین اصول جهانی برای طراحی باتری‌های حالت جامد را تشکیل می‌دهند.
جالب اینجاست که یک سلول پک 0.5Ah ساخته شده بر اساس این اصول به چگالی انرژی فوق‌العاده 310Wh/kg دست یافته و تأییدیه شخص ثالثی دریافت کرده است. بارزترین نکته این است که چگالی انرژی آن از باتری‌های تجاری لیتیوم روبه بالاتر (حدود 250Wh/kg) است.
«امیدواریم بسیاری از محققان بتوانند از این اصول برای طراحی کارآمد باتری‌های حالت جامد استفاده کنند، بهبودهای قابل توجهی در عملکرد حاصل کنند و بر موانع فناوری کنونی غلبه کنند»، محققان افزودند.
پارامترهای طراحی کمّی
چگالی انرژی باتری‌های حالت جامد با چگالی مواد فعال در کاتد تأثیر می‌پذیرد. «آستانه تعادل» نسبت ایده‌آل پر شدن الکترولیت جامد بین ذرات ماده فعال در کاتد را تعیین می‌کند.
این تیم پژوهشی از مفهوم «بسته‌بندی بسته کیوبیک» برای تعیین این نسبت استاندارد استفاده کرده که راهنمای تعادل بین چگالی انرژی و چگالی توان است.
'آستانه گذر' حداقل شرایط برای هدایت یون لیتیم در کاتد کامپوزیت را تعیین می‌کند. این اطمینان حاصل می‌کند که ذرات کامپوزیت مواد فعال و الکترولیت جامد با یکدیگر تماس دارند.
در همین حال، «آستانه بارگیری» شرایط ایده‌آل برای حداقل‌سازی افت ولتاژ در داخل کاتد را تعریف می‌کند. این کمک می‌کند به طراحی بهینه ضخامت الکترود.
پژوهشگران همچنین «SolidXCell»، یک ابزارک طراحی باتری‌های حالت جامد که برای عموم قابل دسترسی است، ایجاد کرده‌اند.
این پلتفرم با ویژگی‌های چند مقیاس و چند پارامتری خود، رویکردی شهودی و سیستماتیک به طراحی را ترویج می‌دهد و در نتیجه دسترسی به فناوری باتری‌های حالت جامد را برای مخاطبان بیشتری افزایش می‌دهد.
پیامدهای آینده
اجرای این اصول طراحی همراه با ابزارک طراحی مرتبط، یک پیشرفت قابل توجه در توسعه باتری‌های حالت جامد را نشان می‌دهد.
محققان انتظار دارند که این ابزارها رویه‌های طراحی را تسهیل کنند و پیشرفت‌های عملکردی را افزایش دهند.
اصول طراحی و ابزارک طراحی متنوع توسط دکتر جینسو کیم از مرکز R&D فناوری انرژی پیشرفته اولسان (KIER) و تیم پژوهشی پروفسور سونگ-کیون جونگ از مؤسسه ملی علوم و فناوری اولسان (UNIST) ایجاد شده‌اند.
