به گزارش تجارت نیوز، در دنیای امروز که خودروهای برقی به سرعت در حال جایگزینی با خودروهای بنزینی هستند، یکی از بزرگترین چالشها طول عمر باتریهای لیتیوم-یونی است. این باتریها که قلب تپنده وسایل نقلیه الکتریکی، گوشیهای هوشمند و سیستمهای ذخیره انرژی تجدیدپذیر به شمار میروند، با مشکل افت ظرفیت تدریجی روبرو هستند. محققان روسی در دانشگاه اسکولتک (Skoltech) با بهبود مواد کاتدی، توانستهاند نرخ افت ظرفیت را تقریبا ۵۰ درصد کاهش دهند. این دستاورد نه تنها عمر باتریها را افزایش میدهد، بلکه ایمنی و کارایی آنها را نیز به سطح بالاتری میرساند و راه را برای انقلاب در صنعت خودروهای برقی هموار میکند.
چالشهای باتریهای لیتیوم-یونی مدرن و نقش کاتدهای غنی از نیکل
باتریهای لیتیوم-یونی امروزی برای ذخیره انرژی بیشتر، از کاتدهای اکسید لایهلایه غنی از نیکل استفاده میکنند. فرمول کلی این کاتدها LiNi_x Mn_y Co_z O_2 است که در آن x + y + z = 1 و x = 0.9 (معروف به NMC9). هرچه محتوای نیکل بالاتر باشد، ظرفیت انرژی بیشتر میشود، اما تخریب باتری نیز سریعتر رخ میدهد.
شارژ و دشارژ مکرر باعث ایجاد ترکهای ریز در ذرات کاتد میشود که به مرور منجر به از دست دادن ظرفیت میگردد. برای مقابله با این مشکل، محققان پیشنهاد ایجاد «ساختار گرادیان غلظت» را دادهاند. در این ساختار، غلظت نیکل در مرکز ذره کاتد بیشترین مقدار (بالای ۹۰ درصد) را دارد و به تدریج به سمت سطح کاهش مییابد، در حالی که غلظت تثبیتکنندههای منگنز و کبالت افزایش پیدا میکند. این طراحی هوشمندانه، استحکام سطحی را افزایش میدهد و از تخریب زودرس جلوگیری میکند.
با این حال، ایجاد چنین گرادیانی چالشبرانگیز است. لیوتسیا سیتنیکووا، دانشجوی دکترای علوم مواد در اسکولتک و یکی از نویسندگان همکار این تحقیق، توضیح میدهد: «در ساختارهای گرادیان، دستیابی به سطحی غنی از منگنز و کبالت با ضخامت بهینه و پایدار، و همچنین تغییر خطی محتوای فلزات واسطه از مرکز ذره به لبههای آن، بسیار دشوار است.» تیم تحقیقاتی برای حل این مسئله، یک مدل ریاضی پیشرفته توسعه دادند که پیشبینی میکند چگونه غلظت نیکل، منگنز و کبالت در آگلومرههای کاتد با تغییر پارامترهای سنتز دگرگون میشود.
این مدل منحصربهفرد، شکل کروی ذرات و شعاع آنها را در نظر میگیرد چیزی که در تحقیقات قبلی نادیده گرفته شده بود. محققان با استفاده از این مدل، سه نوع ساختار گرادیان مختلف را سنتز کردند و نتایج محاسباتی را با دادههای تجربی اعتبارسنجی نمودند.
کلید حفظ ساختار در فرآیند تولید
یکی دیگر از چالشهای بزرگ، حفظ گرادیان غلظت در مرحله نهایی تولید است که شامل دوپینگ (آلایش) ماده با لیتیوم در دمای بالا میشود. این فرآیند میتواند گرادیان را مختل کند و باعث نفوذ متقابل فلزات واسطه (TM) و درشت شدن ذرات گردد. تیم اسکولتک با افزودن ۰.۵ درصد مولی اکسید تانتالوم (Ta₂O₅) این مشکل را حل کرد.
نتیجه شگفتانگیز بود: نرخ کاهش ظرفیت باتری در هر چرخه شارژ-دشارژ تقریبا به نصف رسید! الکساندرا ساوینا، دانشمند ارشد تحقیقاتی از شرکت Skoltech Energy، میگوید: «تانتالوم صرفا ساختار کریستالی اکسید لایهای را آلایش نمیدهد؛ بلکه روی سطح کریستالیتهای اولیه جدا میشود و بینظمی کاتیونی را در ساختار تسهیل میکند.»
نکته کلیدی این است که مناطق غنی از تانتالوم، فاز جداگانهای در مرزهای دانه تشکیل نمیدهند. در عوض، ساختار کریستالی ذرات اولیه را به صورت اپیتاکسی (رشد کریستالی همخط) گسترش میدهند و یک لایه سطحی غنی از تانتالوم با ضخامت حدود ۵ نانومتر ایجاد میکنند. این لایه محافظ، از تخریب ساختاری جلوگیری کرده و عمر باتری را به طور چشمگیری افزایش میدهد.
روششناسی تحقیق و نتایج تجربی
این تحقیق که در مجله معتبر Advanced Functional Materials منتشر شده، بررسی جامعی از سنتز کاتدهای NMC9 با ساختارهای گرادیان غلظت (CG) ارائه میدهد. محققان از یک روش همرسوبی اصلاحشده برای بررسی سیستماتیک پارامترهای کلیدی سنتز استفاده کردند. این روش توسط مدل ریاضی پشتیبانی میشود که توزیع فلزات واسطه را در آگلومرهها پیشبینی میکند.
برای حفظ ساختار CG در طول لیتیماسیون در دمای بالا، اصلاح با Ta₂O₅ به کار گرفته شد که به طور مؤثر نفوذ متقابل TM و درشت شدن ذرات را مهار میکند. تکنیکهای پیشرفته مانند پراش پرتو ایکس پودری (PXRD) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نشان داد که فاز غنی از Ta، ساختار کریستالی را اپیتاکسی گسترش میدهد و لایه سطحی ≈۵ نانومتری تشکیل میدهد. این نتایج، پتانسیل تجاریسازی باتریهای بادوامتر را تأیید میکند.
این نوآوری روسی نه تنها افت ظرفیت باتریهای لیتیوم-یونی را تا ۵۰ درصد کاهش میدهد، بلکه باتریها را ایمنتر، قدرتمندتر و مناسبتر برای خودروهای برقی، دستگاههای الکترونیکی مصرفی و سیستمهای ذخیره انرژی تجدیدپذیر میسازد. با غلبه بر چالشهای سنتز و دوپینگ، محققان اسکولتک دریچهای به سوی آیندهای با باتریهای طولانیعمر باز کردهاند. این پیشرفت میتواند هزینههای نگهداری خودروهای برقی را کاهش دهد و پذیرش گستردهتر فناوری سبز را تسریع کند. انتظار میرود تحقیقات مشابه، صنعت باتری را دگرگون سازد و به اهداف جهانی کاهش انتشار کربن کمک کند.
