افزایش عمر باتری لیتیوم تا ۷۵۰٪ با دستاورد مبتنی بر آب
پژوهشگران کره‌ای عمر آندهای فلزی لیتیوم را با استفاده از آب ۷۵۰ درصد افزایش داده‌اند، که یک پیشرفت بزرگ در فناوری‌های باتری محسوب می‌شود.
تیم موسسه پیشرفته علم و فناوری کره (KAIST) ماده آند نسل بعدی را طراحی کرده‌اند که به دنبال غلبه بر محدودیت‌های عملکرد باتری‌های تجاری است.
پژوهشگران غشای نوآورانه‌ای با کانال‌های توخالی ایجاد کرده‌اند که جریان یون‌ها را برای پوشش‌دهی مداوم لیتیوم هدایت می‌کنند. این طراحی زیست‌محیطی از لایه‌های نانو الیاف توخالی برای بهبود پایداری لیتیوم و افزایش عمر باتری‌های فلزی لیتیوم نسل بعدی استفاده می‌کند.
«با بهره‌گیری از عملکردهای حفاظتی فیزیکی و شیمیایی، توانستیم واکنش‌های قابل بازگشت بین فلز لیتیوم و الکترولیت را به شکل مؤثرتری هدایت کرده و رشد دندریت‌ها را سرکوب کنیم، که منجر به ایجاد آندهای فلزی لیتیوم با ویژگی‌های عمر بی‌سابقه شد،» استاد ایل دوو کیم، عضو دپارتمان مهندسی مواد در KAIST، در بیانیه‌ای گفت.
باتری‌های دوستدار محیط زیست
باتری‌های قابل شارژ پیشرفت کرده‌اند، اما ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی آنها محدود باقی مانده است. آندهای فلزی لیتیوم (Li) ظرفیت ویژه بالا (3860 mAh g−1 برای باتری‌های فلزی لیتیوم، 1670 mAh g−1 برای باتری‌های Li–S) و پتانسیل الکتروشیمیایی پایین (−3.040 V در برابر الکترود هیدروژن استاندارد) ارائه می‌دهند، که از سیستم‌های معمولی فراتر می‌رود.
اما آندهای Li با چالش‌هایی مانند رشد دندریت‌ها و تشکیل لیتیوم مرده مواجه هستند، که منجر به بازدهی پایین، تغییرات حجمی و ریسک‌های ایمنی می‌شود. این مشکلات از واکنش‌های بین‌سطحی بین Li و الکترولیت‌های آلی ناشی می‌شود، که باعث تشکیل لایه‌های ناپایدار SEI می‌گردد.
مطابق با نظرات پژوهشگران، لایه‌های SEI ایده‌آل باید با تثبیت واکنش‌های شیمیایی و مقاومت مکانیکی در برابر شوک‌ها در دوره‌های مختلف، جلوی شکست‌ها را بگیرند.
پژوهشگران در مطالعه جدید، لایه SEI مصنوعی دوکاربردی را با استفاده از فرآیند الکترواسپینینگ پایدار ایجاد کردند.
عمر افزایش‌یافته
این غشا ترکیبی از گوارگام کربوکسی‌متیل لیتیوم جانشین‌شده (CMGG-Li) و پلی‌اکریلامید (PAM) را برای فراهم کردن پایداری مکانیکی و شیمیایی آندهای فلزی لیتیوم استفاده می‌کند. CMGG و PAM که هر دو زیست‌سازگار و قابل پردازش با آب هستند، فرآیند تولیدی کاملاً سبز و مبتنی بر آب را می‌سازند.
غشا دارای نانو الیاف توخالی منحصربه‌فردی است که توانایی انتقال یون‌های لیتیوم را افزایش می‌دهد، که تنها با کنترل تعاملات بین CMGG-Li و PAM بدون نیاز به افزودنی‌ها یا کلسیناسیون در دمای بالا به دست آمده است.
مطابق با پژوهشگران، ویژگی‌های لیتیوفیلیک CMGG-Li و گروه آمید در PAM به تشکیل پایدار SEI کمک می‌کنند، و پوشش‌دهی مؤثر لیتیوم و جلوگیری از دندریت‌ها را تضمین می‌کنند.
این لایه محافظ نانو الیاف کنترل مؤثری بر واکنش‌های شیمیایی قابل بازگشت بین الکترولیت و یون‌های لیتیوم داشت. فضای توخالی داخل الیاف مانع از تجمع تصادفی یون‌های لیتیوم بر سطح فلزی شد و رابط بین سطح فلزی لیتیوم و الکترولیت را تثبیت کرد.
آندهای فلزی لیتیوم با این لایه محافظ نشان‌دهنده ۷۵۰٪ بهبود در عمر نسبت به آندهای معمولی بودند. باتری پس از ۳۰۰ دوره، ۹۳.۳٪ ظرفیت خود را حفظ کرد، که نشان از عملکرد استثنایی دارد.
علاوه بر این، لایه محافظ طبیعی به طور کامل در خاک طی یک ماه تجزیه می‌شود، که طراحی دوستدار محیط زیست آن از تولید تا دفع را تأیید می‌کند.
با توجه به اینکه بار محیطی ناشی از تولید و دفع باتری به مسئله‌ای فوری بدل شده است، این روش تولید مبتنی بر آب با ویژگی‌های زیست‌تجزیه‌پذیر سهم بزرگی در تجاری‌سازی باتری‌های نسل بعدی دوستدار محیط زیست خواهد داشت،» ایل دوو کیم در بیانیه‌ای گفت.
جزئیات پژوهش این تیم در مجله مواد پیشرفته منتشر شد.
