تکنیک جدیدی برای ساخت باتری‌های لیتیومی بادوام

با افزایش وابستگی به منابع تأمین انرژی دستگاه‌های قابل حمل و رواج وسایل نقلیه‌ی برقی، موضوع بهبود قابلیت ذخیره‌ی انرژی و افزایش طول عمر و در عین حال ایمن بودن باتری اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به‌تازگی گروهی از پژوهشگران دانشگاه کلمبیا تحت هدایت یوآن یانگ اعلام کرده‌اند که با ایجاد یک پوشش نانویی از نیترید بور برای تثبیت الکترولیت‌های جامد موجود در باتری‌های لیتیوم فلزی، روشی برای افزایش طول عمر و ایمنی باتری پیدا کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها در مجله‌ی Joule منتشر شده است.

اگرچه باتری‌های لیتیوم یون معمولی در حال حاضر به‌طور گسترده در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولی آن‌ها دارای تراکم انرژی پایینی هستند که منجر به کوتاه‌تر شدن طول عمر باتری می‌شود و به‌علت اینکه درون آن‌ها الکترولیت مایع قابل اشتعالی وجود دارد، امکان آتش‌ گرفتنشان نیز وجود دارد.

تراکم انرژی در باتری‌های لیتیوم یون می‌تواند ازطریق جایگزینی آند گرافیتی باتری با فلز لیتیوم بهبود پیدا کند: ازنظر تئوریکی، ظرفیت فلز لیتیوم درمقایسه با گرافیت، ازنظر مقدار شارژی که می‌تواند تحویل دهد، تقریبا ۱۰ برابر بیشتر است. اما در جریان آبکاری لیتیوم، اغلب دندریت‌هایی شکل می‌گیرند و اگر این ریشه‌ها به غشای جداکننده‌ی باتری نفوذ کند، می‌تواند مدارهای کوتاهی ایجاد کند که ازنظر ایمنی باتری یک مشکل محسوب می‌شود. یانگ می‌گوید:

ما تصمیم گرفتیم که روی الکترولیت‌های جامد سرامیکی تمرکز کنیم. آن‌ها درمقایسه با الکترولیت‌های قابل اشتعال معمول موجود در باتری‌های لیتیوم، ازنظر ایمنی و تراکم انرژی بهتر هستند. ما مخصوصا به باتری‌های لیتیومی جامد قابل شارژ علاقمندیم زیرا آن‌ها کاندیداهایی برای ذخیره انرژی‌های نسل آینده هستند.

اکثر الکترولیت‌های جامد، سرامیکی هستند و بنابراین غیرقابل اشتعال هستند. این امر موجب مرتفع شدن نگرانی‌های مرتبط با ایمنی باتری می‌شود. علاوه‌بر‌این، الکترولیت‌های جامد سرامیکی دارای قدرت مکانیکی بالایی هستند و می‌توانند مانع از رشد دندریت‌های لیتیومی شوند. در چنین شرایطی می‌توان از فلز لیتیوم به‌عنوان آند باتری استفاده کرد. بااین‌حال، بیشتر الکترولیت‌های جامد دربرابر لیتیوم ناپایدار بوده و به‌راحتی توسط فلز لیتیوم خورده می‌شوند و بنابراین در این باتری‌ها قابل استفاده نیستند. کویان چنگ نویسنده‌ی دیگر مقاله می‌گوید:

لیتیوم فلزی است که برای افزایش تراکم انرژی ضروری است و بنابراین مهم است که ما بتوانیم از آن به‌عنوان آند الکترولیت‌های جامد استفاده کنیم. به‌منظور انطباق الکترولیت‌های جامد ناپایدار به کاربردهای حقیقی، ما باید لایه‌ی محافظ پایداری (ازنظر شیمیایی و مکانیکی) را توسعه دهیم تا بتوانیم از الکترولیت‌های جامد دربرابر آند لیتیوم محافظت کنیم. این واسط باید ازنظر الکتریکی بسیار عایق باشد و در عین حال ازنظر یونی رسانا باشند یعنی امکان انتقال یون‌های لیتیوم را فراهم کند. علاوه‌بر‌این، این واسط باید بسیار نازک باشد تا موجب کاهش تراکم انرژی باتری نشود.

تصویر سمت چپ نشان می‌دهد که صفحه‌ی لیتیم آلومینیوم تیتانیوم فسفات (LATP) به‌محض تماس با فلز لیتیوم کاهش می‌یابد. واکنش جانبی شدید بین لیتیوم و الکترولیت جامد طی چندین چرخه باتری را از کار می‌اندازد. تصویر سمت راست نشان می‌دهد که یک غشای مصنوعی نیترید بور ازلحاظ شیمیایی و مکانیکی دربرابر لیتیوم مقاوم است. این غشا ارتباط الکتریکی LATP و لیتیوم را قطع می‌کند ولی در عین حال با ممکن ساختن جریان یونی، موجب پایداری چرخه می‌شود. مسیرهای یونی با استفاده از پلی‌اتیلن‌اکسید (ٰPEO) ایجاد می‌شود.

پژوهشگران برای پرداختن به این چالش‌ها، با همکاران خود در آزمایشگاه ملی بروکهیون و دانشگاه شهر نیویورک همکاری کردند. آن‌ها از رشته‌های نانویی نیترید بور به‌عنوان لایه‌ی محافظ ممانعت‌کننده از تماس الکتریکی بین فلز لیتیوم و رسانای یونی (الکترولیت جامد) استفاده کردند. علت استفاده‌ی آن‌ها از نیترید بور این بود که این ماده ازلحاظ شیمیایی و مکانیکی دربرابر فلز لیتیوم پایدار است و درجه‌ی بالایی از عایق‌سازی الکتریکی را مهیا می‌کند. پژوهشگران لایه‌ی نیترید بور را طوری طراحی کردند تا مجراهایی داشته باشد که یون‌های لیتیوم از آن‌ها بتواند عبور کند. در این شرایط نیترید بور به‌عنوان یک عایق عالی عمل می‌کند. علاوه‌بر‌این، دسترسی به نیترید بور و آماده‌سازی آن آسان است. چنگ می‌گوید:

درحالی‌که در مطالعات پیشین از لایه‌های محافظ پلیمری استفاده می‌شد که ضخامت آن‌ها به ۲۰۰ میکرومتر هم می‌رسید، رشته‌های مورد استفاده در این طرح تنها ۵ تا ۱۰ نانومتر ضخامت دارند و در چنین حدی از نازکی، تراکم انرژی باتری پایین نمی‌آید و عمل محافظت نیز به‌خوبی انجام می‌شود. این ماده، کاملا از هجوم فلز لیتیوم به الکترولیت جامد ممانعت می‌کند. درست مانند یک جلیقه‌ی ضد گلوله، ما برای الکترولیت‌های جامد ناپایدار یک جلیقه‌ی ضد فلز لیتیوم توسعه دادیم و با این نوآوری طول عمر باتری‌های لیتیوم بیشتر می‌شود.

اکنون پژوهشگران در حال پیاده کردن روش خود روی طیف وسیعی از الکترولیت‌های جامد ناپایدار و نیز بهینه کردن بیشتر لایه‌ی محافظ هستند. آن‌ها انتظار دارند که بتوانند باتری‌های جامد دارای عملکرد بالا و طول عمر طولانی را به مرحله‌ی تولید برسانند.