کنترل اکسیژن توان ۸۴٪ در باتری‌های لیتیمی حتی پس از ۷۰۰ سیکل حفظ می‌کند

عمر متوسط باتری‌های لیتیوم-یون بین ۵ تا ۱۰ سال یا ۵۰۰ تا ۱۵۰۰ سیکل شارژ-دشارژ است — اما آیا این کافی است؟

حتی با کاهش هزینه‌های باتری با گذشت سال‌ها، بسیاری از مردم هنگام خرید خودرو، ایده داشتن خودروی برقی را کنار می‌گذارند، زیرا از هزینه تعویض باتری گران‌قیمت در کمتر از ۱۰ سال می‌ترسند.

افزایش طول عمر باتری‌های لیتیوم-یون به طور متعدد از اهمیت بالایی برخوردار است، نه تنها برای افزایش پذیرش، بلکه برای کاهش تاثیرات زیست محیطی و امکان استفاده در کاربردهای پیشرفته مانند ماهواره‌ها و فضاپیما.

پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) در کره جنوبی راهی جالب برای افزایش طول عمر باتری‌های لیتیوم-یون یافته‌اند. در ادامه نگاهی به این روش می اندازیم.

یک ماده کاتدی بهتر برای باتری‌های لیتیوم

در حال حاضر، بیشتر باتری‌های لیتیومی از اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO₂) یا اکسید نیکل منگنز کبالت لیتیوم (LiNiMnCoO₂ یا NMC) به عنوان کاتد استفاده می‌کنند.

اما، برخی از تحقیقات اخیر تاکید کرده‌اند که اکسید لایه‌ای غنی از لیتیوم (LLO) به عنوان یک ماده کاتدی پتانسیلی، چگالی انرژی بهتری، ظرفیت بالاتر و ولتاژ مناسب‌تری نسبت به مواد مرسوم ارائه می‌دهد.

“به عنوان یک جایگزین اقتصادی و پایدارتر، LLO توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این ماده چگالی انرژی تا ۲۰ درصد بیشتر از کاتدهای پایه نیکل معمولی ارائه می‌دهد،” تیم POSTECH می‌گوید .

با این حال، تا کنون، محققان نتوانسته‌اند پتانسیل LLO را بالفعل کنند. زیرا هر بار که سعی کردند از آن به عنوان یک کاتد باتری لیتیوم استفاده کنند، با مشکلات پایداری روبرو شدند — که منجر به افت ولتاژ غیرمنتظره و کاهش ظرفیت شد.

“در حالی که مطالعات قبلی تغییرات ساختاری در کاتد در حین سیکلینگ را به عنوان علت این مشکلات شناسایی کرده بودند، دلایل دقیق ناپایداری به طور عمده نامعلوم باقی مانده بود,” تیم POSTECH افزود.

محدود کردن آزادسازی اکسیژن برای پایدار ساختن LLO

تیم POSTECH کشف کرد که کاتد LLO به دلیل آزادسازی اکسیژن از ساختار کریستالی LLO در طول فرآیند شارژ-دشارژ ناپایدار می‌شود.

آنها پیشنهاد کردند که انتشار اکسیژن به دلیل تعامل بین کاتد و الکترولیت (ماده یا محلولی که به عنوان پل بین آند و کاتد عمل می‌کند و حرکت یون‌ها بین این دو را تسهیل می‌کند) رخ می‌دهد.

آنها تغییراتی در ترکیب الکترولیت ایجاد کردند تا جلوی خروج اکسیزن را بگیرند. برای مثال، از الکترولیتی بدون کربنات اتیلن قطبی استفاده کردند، یک حلالی که به طور معمول در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شود.

“حذف کربنات اتیلن قطبی از الکترولیت به شدت از کاهش غیرقابل برگشت اکسیژن در رابط بین کاتد و الکترولیت جلوگیری می‌کند,” نویسندگان مطالعه گفتند.  محلول الکترولیت بهبود یافته وقتی با کاتد واکنش داد، باعث ذخیره و نگهداشت انرژی فوق‌العاده شد.

“الکترولیت بهبود یافته ما نرخ نگهداشت انرژی چشمگیر ۸۴.۳ درصد حتی پس از ۷۰۰ سیکل شارژ-دشارژ حفظ کرد، بهبود چشمگیری نسبت به الکترولیت‌های معمولی، که تنها به طور متوسط ۳۷.۱ درصد از انرژی را پس از ۳۰۰ سیکل حفظ کردند,” تیم POSTECH ادعا می‌کند.

این یافته‌ها نشان می‌دهند که واقعاً ممکن است از کاتدهای LLO در باتری‌های لیتیوم-یون استفاده کرد تا کارایی، پایداری و طول عمر کلی بهتری به دست آورد. نویسندگان مطالعه اکنون تمرکز خود را بر توسعه مواد کاتدی پیشرفته مبتنی بر LLO خواهند گذاشت.

مطالعه در مجله انرژی و علوم زیست‌محیطی منتشر شده است.