فیلم نازک ORNL ایمنی باتری را افزایش می‌دهد و می‌تواند چگالی انرژی را برای خودروهای برقی دوبرابر کند
محققان در حال تسریع توسعه باتری‌های نسل بعدی حالت جامد هستند و از پلیمر برای ایجاد یک فیلم نازک و محکم اما انعطاف‌پذیر استفاده می‌کنند.
این کار توسط تیمی در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL)، بخشی از وزارت انرژی ایالات متحده، انجام شده و هدف آن پیشبرد توسعه منبع تغذیه خودروهای برقی با استفاده از ورقه‌های الکترولیت حالت جامد است.
با بهره‌گیری از این ورقه‌ها، می‌توان تولید باتری‌های حالت جامد با الکترودهایی با چگالی انرژی بالاتر را به صورت انبوه انجام داد.
به گفته محققان، جدا نگه داشتن الکترودهای مثبت و منفی می‌تواند مسیرهای رسانای بالایی برای جریان یون‌ها ارائه دهد و از اتصال کوتاه الکتریکی خطرناک جلوگیری کند.
گوآنگ یانگ، همکار تحقیق و توسعه در ORNL، در بیانیه‌ای گفت: «انگیزه اصلی برای توسعه غشاهای الکترولیت حالت جامد که ۳۰ میکرومتر یا نازک‌تر هستند، این بود که انرژی بیشتری را در باتری‌های لیتیوم یون جمع‌آوری کنیم تا خودروهای برقی، لپتاپ‌ها و تلفن‌های همراه شما بتوانند مدت طولانی‌تری قبل از نیاز به شارژ کار کنند.»
استحکام زنجیره پلیمر
این توسعه جدید با تغییر ساختار بایندر پلیمر برای کار بهتر با الکترولیت‌های سولفاید حالت جامد، نسخه قبلی ابتکار ORNL را بهبود بخشیده است. این تحقیق بخشی از تلاش‌های مداوم برای ایجاد دستورالعمل‌هایی برای انتخاب و استفاده از مواد است.
این تحقیق به دنبال پیدا کردن نقطه «طلایی»—ضخامت فیلمی که برای ایجاد هر دو رسانایی یونی و استحکام ساختاری مناسب باشد—بود.
رسانایی پلیمر پلاستیکی مورد استفاده در الکترولیت حالت جامد کنونی که یون‌ها را هدایت می‌کنند، به‌طور قابل توجهی کمتر از الکترولیت‌های مایع است. الکترولیت‌های مایع گاهی به الکترولیت‌های پلیمری افزوده می‌شوند تا عملکرد را بهبود بخشند.
مشابه با الکترولیت مایع که در باتری‌های لیتیوم یون کنونی استفاده می‌شود، الکترولیت حالت جامد سولفاید دارای رسانایی یونی است. یانگ گفت: «این بسیار جذاب است. ترکیبات سولفاید مسیری رسانا ایجاد می‌کنند که به لیتیوم اجازه می‌دهد در طول فرآیند شارژ/دشارژ به عقب و جلو حرکت کند.»
محققان دریافتند که وزن مولکولی بایندرهای پلیمری نقشی کلیدی در دوام فیلم‌های الکترولیت حالت جامد ایفا می‌کند. فیلم‌هایی که بایندرهای با وزن مولکولی کم و زنجیره‌های پلیمری کوتاه دارند، به دلیل عدم استحکام کافی نمی‌توانند تماس با ماده الکترولیتی را حفظ کنند.
از سوی دیگر، بایندرهای با وزن مولکولی بالا و زنجیره‌های پلیمری بلند استحکام سازه‌ی بیشتری ارائه می‌دهند. علاوه بر این، فیلم‌هایی با بایندرهای زنجیره بلند نیاز به مواد کمتری برای دستیابی به رسانایی یونی مؤثر دارند.
دوام بالاتر باتری
تیم تحقیقاتی هدف داشت مقدار بایندر پلیمری که یونی را هدایت نمی‌کند کاهش دهد. نقش اصلی بایندر نگه داشتن ذرات الکترولیت در داخل فیلم است. در حالی که افزایش مقدار بایندر می‌تواند کیفیت فیلم را بهبود بخشد، اما همچنین رسانایی یونی را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، استفاده کمتر از بایندر رسانایی یونی را افزایش می‌دهد، اما کیفیت فیلم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
برای تحلیل دقیق، از میکروسکوپ الکترونی پویشی، طیف‌سنجی اشعه ایکس با انرژی پراکندگی و نمایش نانو استفاده شد و اندازه‌گیری‌های تابش سینکروترون نشان داد که مورفولوژی ذرات چگونه است.
تکنیک‌های پیشرفته ارزیابی برای بررسی جزئیات پیچیده ورقه الکترولیت حالت جامد سولفاید حیاتی بودند و به محققان کمک کردند که رسانایی و پایداری یونی الکترولیت را بهبود بخشند.
با توجه به محققان، تحلیل دقیق برای توسعه باتری‌های حالت جامد مطمئن و کارآمدتر ضروری است. دانشمندان دارند فضای آزمایشگاهی ۷۰۰۰ فوت مربعی ORNL را با اضافه کردن مناطق کم رطوبت خاص به تحقیق سولفاید به منظور جلوگیری از آلودگی مواد دیگر گسترش می‌دهند.
برای مقابله با این چالش، تیم به تجهیزات تخصصی مانند جعبه دستکش اختصاصی نیاز دارد که ORNL به‌طور خاص هشت عدد از این نوع را برای این کار فراهم می‌کند.
در مرحله بعد، تیم قصد دارد دستگاهی بسازد که بتواند فیلم نازک را در الکترودهای نسل بعدی منفی و مثبت ادغام کرده و عملکرد آن را تحت شرایط باتری واقعی آزمایش کند. سپس، آنها با محققانی از صنعت، دانشگاه‌ها و دولت همکاری خواهند کرد تا فیلم نازک را در دستگاه‌های مختلف توسعه و آزمایش کنند.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله ACS Energy Letters منتشر شد.
