به گزارش تجارت نیوز، باتریهای حالت جامد سالهاست که به عنوان یکی از امیدوارکنندهترین فناوریهای ذخیرهسازی انرژی شناخته میشوند. بسیاری از کارشناسان این فناوری را جانشین بالقوه باتریهای لیتیوم-یون امروزی میدانند؛ زیرا باتریهای حالت جامد از نظر ایمنی، چگالی انرژی، سرعت شارژ و طول عمر، ظرفیت ایجاد تحول در صنایع مختلف از جمله خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سامانههای ذخیره انرژی را دارند.
با این حال، با وجود پیشرفتهای متعدد در سالهای اخیر، چالشهای فنی مختلفی همچنان مانع ورود گسترده این فناوری به بازار شده است. یکی از مهمترین این چالشها، حفظ عملکرد پایدار باتری در طول زمان و ایجاد انتقال مؤثر یونهای لیتیوم در ساختار الکترولیتهای جامد است.
اکنون گروهی از دانشمندان چینی اعلام کردهاند که با توسعه یک الکترولیت کامپوزیتی جدید، به پیشرفت مهمی در این حوزه دست یافتهاند؛ پیشرفتی که میتواند بخشی از موانع اصلی توسعه باتریهای حالت جامد را برطرف کند.
توسعه الکترولیت جدید توسط آکادمی علوم چین
این دستاورد توسط تیمی از پژوهشگران مؤسسه فیزیک شیمی دالیان (DICP) وابسته به آکادمی علوم چین (CAS) حاصل شده است. محققان موفق شدهاند نوع جدیدی از الکترولیت کامپوزیتی آلی-معدنی طراحی کنند که ترکیبی از انعطافپذیری پلیمرها و پایداری مواد معدنی را در خود جای داده است.
بر اساس گزارشهای منتشرشده، ساختار جدید بر پایه پلیوینیلیدین فلوراید (PVDF) و لیتیوم اکسیکلراید (Li₃OCl) توسعه یافته است. هدف اصلی این طراحی، بهبود انتقال یونهای لیتیوم و افزایش پایداری بلندمدت باتری بوده است.
دانشمندان توضیح میدهند که یکی از بزرگترین مشکلات باتریهای حالت جامد، ناحیه تماس میان الکترولیت و الکترود است. در بسیاری از نمونههای فعلی، این سطح مشترک به اندازه کافی پایدار نیست و همین مسئله موجب کاهش سرعت انتقال یونها، افت راندمان و کاهش طول عمر باتری میشود.
راهحلی برای یکی از بزرگترین چالشهای باتریهای حالت جامد
تیم تحقیقاتی چینی برای رفع این مشکل از لیتیوم اکسیکلراید استفاده کرده است تا فرآیندی موسوم به «بازسازی شیمیایی درجا» در ساختار پلیمر ایجاد شود.
به گفته محققان، این فرآیند باعث شکلگیری پیوندهای شیمیایی قویتر میان بخشهای آلی و معدنی الکترولیت میشود. نتیجه این فرآیند، ایجاد مسیرهای پیوسته و پایدار برای حرکت یونهای لیتیوم در سراسر ساختار باتری است.
این طراحی جدید موجب شده است الکترولیت ساختهشده بتواند مزایای هر دو گروه مواد را به طور همزمان ارائه دهد. از یک سو انعطافپذیری مکانیکی پلیمرها حفظ شده و از سوی دیگر رسانایی یونی و پایداری ساختاری مواد معدنی نیز در آن وجود دارد.
به اعتقاد پژوهشگران، این ترکیب میتواند بخشی از محدودیتهای سنتی باتریهای حالت جامد را برطرف کند و عملکرد آنها را بهبود بخشد.
نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده
آزمایشهای انجامشده روی این الکترولیت جدید نتایج قابل توجهی را نشان داده است. طبق دادههای منتشرشده، رسانایی یونی این ماده در دمای اتاق به 2.73 × 10⁻⁴ زیمنس بر سانتیمتر (S/cm) رسیده است.
همچنین عدد انتقال یون لیتیوم در این الکترولیت برابر با 0.90 گزارش شده است. این عدد نشان میدهد که بخش عمده انتقال بار الکتریکی در سیستم از طریق یونهای لیتیوم انجام میشود و واکنشهای جانبی ناخواسته در سطح بسیار پایینی قرار دارند.
محققان همچنین اعلام کردهاند که این ماده دارای پنجره پایداری الکتروشیمیایی بیش از 4.78 ولت است؛ ویژگی مهمی که برای استفاده در باتریهای پیشرفته با ولتاژ بالا ضروری محسوب میشود.
از سوی دیگر، مدول یانگ این الکترولیت حدود 893 مگاپاسکال اندازهگیری شده است که بیانگر استحکام مکانیکی مناسب و توانایی حفظ ساختار در شرایط کاری مختلف است.
حفظ ۸۴.۲ درصد ظرفیت پس از ۳۵۰ چرخه
مهمترین بخش این پژوهش به نتایج چرخهپذیری باتری مربوط میشود. آزمایشها نشان دادهاند که سلولهای باتری حالت جامد مبتنی بر فناوری NCA (نیکل، کبالت و آلومینیوم) که از این الکترولیت جدید استفاده میکنند، پس از ۳۵۰ چرخه کامل شارژ و دشارژ با نرخ ۱C همچنان ۸۴.۲ درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ کردهاند.
این عملکرد در مقایسه با بسیاری از نمونههای آزمایشگاهی موجود بسیار امیدوارکننده ارزیابی میشود و نشان میدهد که طراحی جدید میتواند طول عمر عملیاتی باتری را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
علاوه بر این، محققان اعلام کردهاند که سلولهای متقارن مورد استفاده در آزمایشها توانستهاند بیش از ۲۵۰۰ ساعت عملکرد پایدار و بدون اختلال را حفظ کنند؛ موضوعی که نشاندهنده ثبات بالای ساختار الکترولیت در بلندمدت است.
چرا باتریهای حالت جامد اهمیت دارند؟
باتریهای حالت جامد به جای استفاده از الکترولیتهای مایع قابل اشتعال که در باتریهای لیتیوم-یون رایج هستند، از مواد جامد بهره میبرند. این تغییر بنیادی میتواند مزایای مهمی به همراه داشته باشد.
یکی از مهمترین مزایا، افزایش ایمنی است. حذف الکترولیت مایع خطر آتشسوزی و فرار حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. علاوه بر این، باتریهای حالت جامد امکان دستیابی به چگالی انرژی بالاتر را فراهم میکنند؛ به این معنا که میتوان انرژی بیشتری را در حجم و وزن کمتر ذخیره کرد.
همچنین انتظار میرود این باتریها سرعت شارژ بالاتری داشته باشند و طول عمر بیشتری نسبت به باتریهای فعلی ارائه دهند؛ ویژگیهایی که بهویژه برای خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد.
مسیر دشوار تجاریسازی
با وجود موفقیتهای متعدد آزمایشگاهی، کارشناسان معتقدند هنوز فاصله قابل توجهی میان دستاوردهای تحقیقاتی و تولید انبوه تجاری وجود دارد.
باتریهای حالت جامد همچنان با چالشهایی نظیر پیچیدگی تولید، هزینههای بالا، محدودیتهای مقیاسپذیری و دشواری حفظ عملکرد در شرایط واقعی مواجه هستند.
در سالهای اخیر بسیاری از شرکتهای بزرگ خودروسازی و تولیدکنندگان باتری زمانبندیهای جاهطلبانهای برای عرضه این فناوری ارائه کردهاند. برای مثال، شرکت خودروسازی دانگفنگ اعلام کرده است که قصد دارد تولید انبوه باتریهای حالت جامد را از اوایل سال ۲۰۲۶ آغاز کند.
با این حال، شرکت بزرگ چینی CATL که یکی از رهبران جهانی صنعت باتری محسوب میشود، دیدگاه محتاطانهتری دارد. این شرکت بارها اعلام کرده است که تجاریسازی گسترده و فراگیر باتریهای حالت جامد پیش از سال ۲۰۳۰ بعید به نظر میرسد و هنوز موانع فنی و تولیدی قابل توجهی در این مسیر وجود دارد.
اهمیت این دستاورد برای آینده صنعت باتری
اگرچه دستاورد جدید پژوهشگران چینی به تنهایی زمانبندی تجاریسازی باتریهای حالت جامد را تغییر نمیدهد، اما میتواند یکی از مهمترین گرههای فنی این فناوری را هدف قرار دهد.
بهبود انتقال یونهای لیتیوم، افزایش پایداری سطح مشترک الکترود و الکترولیت، حفظ ۸۴.۲ درصد ظرفیت پس از ۳۵۰ چرخه و عملکرد پایدار بیش از ۲۵۰۰ ساعت، همگی نشانههایی از پیشرفت واقعی در این حوزه هستند.
در شرایطی که رقابت جهانی برای توسعه نسل بعدی باتریها شدت گرفته است، چنین نوآوریهایی میتوانند نقش تعیینکنندهای در مشخص کردن فناوریهای برنده آینده داشته باشند.
پژوهش جدید محققان آکادمی علوم چین نشان میدهد که فناوری باتریهای حالت جامد همچنان با سرعت در حال پیشرفت است. توسعه یک الکترولیت کامپوزیتی مبتنی بر پلیوینیلیدین فلوراید و لیتیوم اکسیکلراید، دستیابی به رسانایی یونی 2.73 × 10⁻⁴ S/cm، پنجره پایداری بیش از 4.78 ولت، مدول یانگ 893 مگاپاسکال و مهمتر از همه حفظ ۸۴.۲ درصد ظرفیت پس از ۳۵۰ چرخه شارژ و دشارژ، نشاندهنده ظرفیت بالای این فناوری برای آینده صنعت ذخیرهسازی انرژی است. هرچند تجاریسازی گسترده این باتریها احتمالاً تا سال ۲۰۳۰ زمان خواهد برد، اما چنین دستاوردهایی میتواند مسیر رسیدن به نسل جدید باتریهای ایمنتر، قدرتمندتر و بادوامتر را هموارتر کند.
