خلاقانه‌ترین پیشرفت‌های باتری خودروی الکتریکی در سال ۲۰۲۱

دانشمندان در سال ۲۰۲۱ پیشرفت‌های زیادی در زمینه باتری خودروی الکتریکی داشته‌اند که شامل طرح‌هایی برای بهبود زمان شارژ باتری و همچنین بازیابی سلول‌های از بین رفته در باتری می‌شود.

با توجه به اینکه باتری‌های لیتیوم یون به عنوان موتورخانه برای بسیاری از تجهیزات دنیای مدرن، از تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا خودروهای الکتریکی و هواپیماها، خدمت می‌کنند، هر پیشرفت علمی که عملکرد آن‌ها را بهبود می‌بخشد، مهم است. برخی از این موارد از پیشرفت‌های تدریجی ناشی می‌شوند که برای مثال با مواد جایگزین آزمایش می‌شوند، درحالی‌که برخی از تصور مجدد کل دستگاه و نحوه کار آن‌ها از پایه به دست می‌آیند. به گزارش نیواطلس، در سال ۲۰۲۱ مجموعه‌ای از اکتشافات انجام شدند که به دلیل تبعیت نکردن محققان از روش‌های متعارف بود. بیایید نگاهی به خلاقانه‌ترین و جالب‌ترین نمونه‌ها بیاندازیم.

یکی از راه‌هایی که دانشمندان امیدوار هستند نرخ شارژ باتری‌ها را بهبود بخشند، استفاده از ساختارهای متخلخل برای یکی از دو الکترود و به‌طور مشخص آند است. آند منطقه تماس بیشتری با الکترولیت مایع ارائه می‌دهد که یون‌های لیتیوم را حمل می‌کند و آن‌ها را قادر می‌سازد تا به‌راحتی در مواد پخش شوند و به‌طور بالقوه باتری‌هایی را ایجاد می‌کند که بسیار سریع‌تر شارژ می‌شوند.

در ماه نوامبر، با دانشمندان دانشگاه Twente که آندی از ماده‌ای به نام نیکل نیوبات ساختند، به برداشتی جدید و امیدوارکننده از این فناوری نگاه کردیم. این ماده ساختار کریستالی «باز و منظم» با کانال‌های تکرارشونده یکسان دارد که آن را برای انتقال یون ایده‌آل می‌کند.

دستیابی به فناوری جدید آند، به تولید سلول باتری کاملی تبدیل شد و دانشمندان دریافتند که نرخ شارژ فوق‌العاده سریعی (۱۰ برابر سریع‌تر از باتری‌های لیتیوم یون امروزی) را ارائه می‌دهد. این پیشرفت درخورتوجهی در مواد متخلخلی بود که تاکنون در این منطقه پیشنهاد شده بود و دارای کانال‌های نامنظم و تصادفی است که باعث می‌شود سازه‌ها در حین شارژ شدن متلاشی شوند و باتری از کار بیفتد. جالب است بدانید، محققان اشاره می‌کنند که نیکل نیوبات دارای چگالی حجمی بالاتری نسبت به گرافیت مورد استفاده برای آندهای امروزی است، که همچنین می‌تواند منجر به تولید باتری‌های تجاری سبک‌تر و فشرده‌تر شود.

هنگامی که یک باتری در چرخه کاری خود قرار می‌گیرد، یون‌های لیتیوم بین دو الکترود به عقب و جلو حرکت می‌کنند؛ اما همه آن‌ها همیشه سفر خود را کامل نمی‌کنند. این باعث می‌شود که «جزایر» غیرفعال الکتروشیمیایی لیتیوم در بین آن‌ها تشکیل شود که از الکترودها جدا می‌مانند و این توده‌ها باعث کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی دستگاه یا حتی آتش گرفتن آن می‌شود.

در یک پیشرفت جالب طی این هفته، دانشمندان دانشگاه استنفورد روشی را کشف کردند که نه‌تنها این توده‌های مضر لیتیوم مرده را خنثی کرده، بلکه آن‌ها را برای افزایش عملکرد باتری زنده می‌کند. تیم دانشگاه استنفورد دریافتند که با افزودن ولتاژ جریان بالا در حین شارژ مجدد، این لیتیوم غیرفعال را تحریک می‌کند و باعث می‌شود که «مانند یک کرم» خزیده و دوباره به الکترود متصل شود و طول عمر باتری را ۳۰ درصد افزایش دهد.

به گفته‌ی اعضای این تیم، پیشرفت جدید می‌تواند منجر به طراحی بهبودیافته برای باتری‌های شارژ سریع یا باتری‌های قابل شارژ با ظرفیت و طول عمر بیشتر شود. جالب توجه است، آن‌ها اشاره می‌کنند که مشکل جزیره مرده لیتیوم، مشکل واقعی برای نسل بعدی باتری‌های لیتیوم فلزی است که پتانسیل نگه‌داری تا ۱۰ برابر بیشتر انرژی را دارند، بنابراین این پیشرفت می‌تواند به راه‌حل‌های جدیدی منجر شود که قفل این معماری بسیار امیدوارکننده را باز کند.

یکی از دلایلی که دانشمندان پتانسیل زیادی در باتری‌های لیتیوم فلزی می‌بینند، این است که فلز لیتیوم ظرفیت و چگالی انرژی به مراتب بالاتری نسبت به گرافیت و مس مورد استفاده برای آند در باتری‌های امروزی دارد. این موضوع، لیتیوم را به عنوان هدفی دست‌یافتنی در نظر شین لی، دانشمند مواد هاروارد قرار می‌دهد. این دانشمند در ماه مه یک باتری جدید به سبک ساندویچی ارائه کرد که می‌تواند بر برخی از مشکلات پایداری در طراحی‌های کنونی لیتیوم-فلز غلبه کند.

مشکلات پایداری باتری ناشی از برجستگی‌های سوزن مانندی به نام دندریت است که در هنگام شارژ روی آند فلزی لیتیوم ایجاد می‌شود و باعث کاهش عملکرد باتری و از کار افتادن یا حتی آتش گرفتن آن می‌شود. لی و همکارانش با تعویض الکترولیت مایع باتری با یک جفت الکترولیت جامد که در ساندویچی به سبک BLT در کنار هم قرار گرفته‌اند و برای کنترل و مهار ایمن دندریت‌ها در حین شکل‌گیری کار می‌کنند، به دنبال غلبه بر این مشکل بودند.

علاوه بر این، باتری به سبک ساندویچی می‌تواند شکاف‌های ایجاد شده توسط دندریت‌ها را پر کند. در آزمایش، تیم متوجه شد که باتری ۸۲ درصد از ظرفیت خود را پس از ۱۰،۰۰۰ چرخه حفظ می‌کند و از همه امیدوارکننده‌تر، نوع چگالی جریان را نشان داد که می‌تواند روزی خودروی الکتریکی را در عرض ۲۰ دقیقه شارژ کند.

در ماه اکتبر ما راه‌حل جالب دیگری را برای مسائل پایداری مرتبط با باتری‌های لیتیوم-فلزی بررسی کردیم. تیمی از دانشمندان در ایالات متحده برای بهبود پایداری باتری خودروی الکتریکی به الهام گرفتن از طبیعت روی آوردند. این پیشرفت مجدداً به مفهوم استفاده از الکترولیت جامد به جای الکترولیت مایع برای حمل بار بستگی داشت و دانشمندان از نانوفیبریل‌های سلولز مشتق شده از چوب به عنوان نقطه شروع استفاده کردند.

لوله‌های پلیمری میکروسکوپی با مس ترکیب شدند تا یک رسانای یونی جامد را تشکیل دهند که دارای دهانه‌های کوچکی در بین زنجیره‌های پلیمری بود و به عنوان «بزرگراه‌های یونی» عمل می‌کردند و یون‌های لیتیوم را قادر می‌کردند با کارایی بی‌سابقه حرکت کنند. این بدان معنا است که رسانایی ماده بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از سایر رساناهای یون پلیمری است. محققان همچنین می‌گویند از آنجایی که این ماده به اندازه کاغذ نازک و انعطاف‌پذیر است، الکترولیت می‌تواند تنش‌های چرخه باتری را بهتر تحمل کند و در برابر محیط‌های معماری فلزی لیتیوم مقاومت کند.

باتری‌های قلیایی فلز-کلر از دهه ۱۹۷۰ وجود داشته‌اند و چگالی انرژی بالایی دارند، اما کلر بسیار واکنش‌پذیر به این معنی است که آن‌ها فقط برای یک بار استفاده دوام می‌آورند. در ماه اوت، دانشمندان دانشگاه استنفورد راهی برای تثبیت این واکنش‌ها و در واقع اجازه شارژ مجدد این نوع باتری‌های با چگالی بالا ارائه کردند.

محلول از یک ماده الکترود جدید ساخته شده از کربن متخلخل تشکیل شده بود که مولکول‌های نامنظم کلر را اسفنجی کرده و با خیال راحت آن‌ها را به کلرید سدیم، شکل اصلی آن‌ها قبل از تخلیه، تبدیل می‌کرد. این چرخه می‌تواند تا ۲۰۰ بار در یک باتری آزمایشی با چگالی حدود ۶ برابر فناوری لیتیوم یون امروزی تکرار شود.

دانشمندان تمرکز زیادی روی بهبود باتری‌های لیتیوم-فلزی دارند و در ماه ژوئن شاهد بودیم که محققان موفقیت‌های درخورتوجهی در این زمینه داشتند. تیمی در آمریکا روی چیزی که به عنوان فاز الکترولیت جامد (SEI) شناخته می‌شود، تمرکز کردند. فاز الکترولیت جامد در حقیقت یک لایه نازک در بالای آند است که با کنترل اینکه کدام مولکول‌ها در طول چرخه از الکترولیت وارد می‌شوند، نقش مهمی را ایفا می‌کند.

واکنش‌های پیچیده در اطراف آند رخ می‌دهد و بر عملکرد SEI در طرح‌های فعلی تأثیر می‌گذارد، اما دانشمندان آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) وزارت انرژی ایالات متحده راه‌حل جدیدی به شکل نوارهای بسیار نازک لیتیوم با عرض حدود ۲۰ میکرون (بسیار نازک‌تر از موی انسان) پیدا کردند. این نوارها به‌عنوان پایه‌ای برای آند با SEI استفاده می‌شوند که نسبت به آندهایی با نوارهای ضخیم‌تر که واکنش‌های الکتروشیمیایی مهم را خفه می‌کنند، به‌طور سالم‌تری با الکترولیت تعامل می‌کنند.

تصویر سمت چپ الکترولیت (آبی) را نشان می‌دهد که جیبی را در یک آند لیتیومی نازک پر می‌کند و یک SEI مؤثر را ایجاد می‌کند که به رنگ سبز دیده می‌شود، در مقایسه با آند لیتیومی ضخیم‌تر با SEI تا حد زیادی بی‌اثر.

نمونه اولیه باتری سلولی کیسه‌ای این تیم دارای این آند است که ۷۶ درصد ظرفیت خود را در ۶۰۰ سیکل رکوردی با چگالی انرژی ۳۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم حفظ کرده است. برای مقایسه بد نیست بدانید، بهترین باتری‌های لیتیوم یونی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای چگالی ۲۵۰ تا ۳۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم هستند.

در ماه مارس، نمونه جالب دیگری از باتری را بررسی کردیم که از الکترولیت جامد به جای مایع استفاده می‌کرد و ادعا می‌شود که طراحی آن بر برخی از موانع کلیدی در این زمینه غلبه می‌کند. این باتری دارای یک الکترود «نیمه جامد» ساخته شده از آلیاژهای سدیم-پتاسیم بود که توسط محققان به موادی که دندانپزشکان برای پر کردن حفره‌ها استفاده می‌کنند، تشبیه شده است؛ زیرا این ماده در عین محکمی، قادر به جریان یافتن و قالب‌گیری بودند.

هنگامی که این ماده با الکترولیت جامد تماس پیدا می‌کند، مقدار مناسبی را در خود دارد تا از نوع ترک‌هایی که روی مواد سفت‌تر و شکننده‌تر الکترود ایجاد می‌شود، جلوگیری کند. این ماده خود ترمیم‌شونده از تشکیل دندریت‌های آسیب‌رسان جلوگیری می‌کند و همچنین اجازه می‌دهد تا چگالی جریان بسیار بالاتری نسبت به سایر باتری‌های حالت جامد (حدود ۲۰ برابر بیشتر) فراهم کند تا راه برای نرخ‌های شارژ بسیار بیشتر هموار شود.