فناوری جدید باتری سوپریونیک می‌تواند برد خودروهای الکتریکی را به بیش از ۶۰۰ مایل در هر شارژ افزایش دهد

یکی از چالش‌های کلیدی در توسعه باتری‌های فلز لیتیوم حالت جامد (LMBs)، نیاز به الکترولیت‌های حالت جامد (SSEs) امن، قابل اطمینان و با عملکرد بالا بوده است.

محققان یک SSE پیشرفته با رسانایی یونی بالا طراحی کرده‌اند که امکان ساخت باتری‌های فلز لیتیوم فوق‌العاده پایدار با ثبات در چرخش، ظرفیت‌های بالا، و نرخ شارژ-دشارژ سریع را فراهم می‌سازد.

SSE راه را برای توسعه باتری‌هایی با چگالی انرژی تا 500 Wh/kg هموار می‌کند که بدین وسیله برد رانندگی را به بیش از 600 مایل در هر شارژ افزایش می‌دهد (965 کیلوگرم).

این ماده توسط دانشگاه وسترن در کانادا، دانشگاه مریلند در ایالات متحده و دیگر مؤسسات توسعه یافته است و از عملکرد پایدار در LMBs حالت جامد پشتیبانی می‌کند.

به گفته تیم تحقیقاتی، این توسعه می‌تواند به کاربرد عملی‌تر LMBs در استفاده تجاری کمک کند.

نوآوری باتری مبتنی بر حفره

باتری‌های LMB تمام جامد گزینه‌های امن‌تر و پرانرژی‌تری نسبت به باتری‌های لیتیم-یونی معمولی ارائه می‌دهند با جایگزینی الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال. با این حال، استفاده عملی با چالش‌هایی در ارتباط با آند‌های فلز لیتیوم و SSE‌ها مانند اکسیدها، سولفیدها و هالیدها رو به رو می‌شود.

دندریت‌های لیتیوم به راحتی از مرزهای دانه‌های اکسید در جریان‌های بالا می‌گذرند، و خطر شکست را افزایش می‌دهند، در حالی که SSE‌های بر پایه سولفید و هالید باعث واکنش‌های جانبی مضر در رابط لیتیوم می‌شوند.

اگرچه لایه‌های محافظ به نام اینترلایه‌ها می‌توانند آند فلز لیتیوم را پایدار کنند، پیچیدگی و هزینه‌ها را افزایش می‌دهند. رویکردهای فعلی نیاز به SSE‌هایی با رسانایی یونی و ثبات بهبود یافته دارند که با ظرفیت‌های بزرگ و شارژ سریع سازگار باشد.

مطالعات نشان می‌دهد که SSE‌های مبتنی بر نیترید، مانند Li3N، دارای پایداری استثنایی در برابر لیتیوم هستند. خطرات دندریتیک با افزایش رسانایی یونی β-Li3N و کاهش رسانایی الکترونیک کاهش می‌یابد.

به گفته تیم تحقیقاتی، جهت افزایش عملکرد، افزایش حفره‌های لیتیوم در β-Li3N می‌تواند رسانایی یونی و پایداری را در طول برش/پوشش لیتیوم تقویت کند. این روش به مسائل کلیدی پرداخته و باتری‌های LMB‌های تمام جامد را برای برنامه‌های کاربردی با عملکرد بالا قابل استفاده‌تر می‌سازد.

ذخیره انرژی پیشرفته

پژوهش جدید منجر به توسعه یک الکترولیت جامد (SSE) β-Li3N با ساختار حفره‌دار و منطبق با لیتیوم و پایدار در هوا شده است که به عملکرد رکوردشکن دست یافته است.

ویهان لی، رهبر گروه تحقیقاتی در دانشگاه RWTH آخن و نویسنده اول مقاله تحقیقاتی اظهار دارد: «طراحی ما از β-Li3N حفره‌دار بر اساس درک مکانیزم‌های رسانای لیتیوم-یون بود. نقص‌ها در ساختار کریستال، مانند حفره‌ها، می‌توانند موانع انرژی را برای مهاجرت لیتیوم-یون کاهش دهند و جمعیت یون‌های لیتیوم متحرک را افزایش دهند» Phys.org .

محققان SSE β-Li3N غنی از حفره را از طریق یک فرآیند بالمیل با انرژی بالا ایجاد کردند. این روش تعداد معینی حفره را وارد ساختار ماده کرد و به طور قابل توجهی خواص آن را بهبود بخشید.

این ماده دارای رسانایی یونی استثنایی 2.14 × 10⁻³ S cm⁻¹ در دمای اتاق است، که از بیشتر SSE‌های مبتنی بر نیترید پیشی می‌گیرد. تکنیک‌های پیشرفته انتشار، شبیه‌سازی و محاسبات مکانیزم انتشار سوپریونیک میانجی حفره‌ای را نشان می‌دهند که حرکت سریع یون لیتیوم را هدایت می‌کند.

β-Li3N حفره‌دار از رشد دندریت‌های لیتیوم جلوگیری کرده، چگالی جریان‌های بحرانی تا 45 mA cm⁻² را پشتیبانی کرده و چرخش پایدار را برای بیش از ۴,۰۰۰ ساعت در 7.5 mA cm⁻² حفظ می‌کند. پایداری آن با لیتیوم فلزی به وسیله نظریه کاربردی و مطالعات میکروسکوپی اشعه ایکس توضیح داده شده است. علاوه بر این، پایداری بالای آن در محیط‌های بسیار خشک نشان داده می‌شود.

با استفاده از این SSE، محققان باتری‌های فلز لیتیوم وضعیت جامد (LCO) یا کاتدهای غنی از نیکل Ni-rich NCM83 را طراحی کرده‌اند. این باتری‌ها دارای دوام چرخه طولانی هستند و 82.05 درصد ظرفیت خود را در بیش از ۵۰۰۰ چرخه برای LCO و 92.5 درصد در بیش از ۳۵۰۰ چرخه برای NCM83 در 1.0 C حفظ می‌کنند.

آن‌ها همچنین شارژ سریع تا 5.0 C ارائه می‌دهند و در هر دو سل‌های پلت و پاک، ظرفیت‌های سطحی بالایی را به دست می‌آورند که آن‌ها را برای ذخیره سازی انرژی نسل بعدی امیدوارکننده می‌سازد.

جزئیات تحقیق تیم در مجله Nature Nanotechnology انتشار یافته است.