به گزارش تجارت نیوز، صنعت خودروهای برقی به سرعت در حال پیشرفت است، اما یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن هنوز پابرجاست: باتری‌ها. بیشتر خودروهای الکتریکی امروز از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌کنند. این باتری‌ها امتحان خود را پس داده‌اند، اما ظرفیت و طول عمر آن‌ها برای نیازهای آینده کافی نخواهد بود.
به همین دلیل دانشمندان به دنبال گزینه‌های جدیدی هستند. یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها، باتری‌های لیتیوم-فلزی (LMB) است. این باتری‌ها می‌توانند انرژی بسیار بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی ذخیره کنند و به همین دلیل برای وسایل نقلیه برقی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر بسیار جذاب به نظر می‌رسند.
با این حال، آن‌ها یک مشکل اساسی دارند: پایداری و ایمنی پایین.
اخیراً محققان دانشگاه جنوب شرقی چین با معرفی یک افزودنی جدید برای الکترولیت‌ها موفق شده‌اند این مشکل را تا حد زیادی حل کنند. این کشف می‌تواند مسیر را برای تولید انبوه خودروهای برقی با باتری‌های بسیار بادوام هموار کند.
مشکل اصلی باتری‌های لیتیوم-فلزی چیست؟
آندهای فلزی لیتیوم در این باتری‌ها ناپایدار هستند و اغلب دچار واکنش‌های شیمیایی ناخواسته می‌شوند. این واکنش‌ها می‌توانند منجر به رشد دندریت‌های لیتیوم شوند؛ شاخه‌های ریز فلزی که مانند سوزن به لایه‌های داخلی باتری نفوذ می‌کنند. نتیجه آن کاهش عمر باتری و خطرات ایمنی جدی است.
الکترولیت‌های مرسوم که معمولاً مبتنی بر استر هستند، این مشکل را بدتر می‌کنند زیرا رابط‌های ضعیف و ناپایداری میان الکترودها ایجاد می‌کنند.
راه‌حل جدید: افزودنی ۱،۳-دی‌تیان
تیم تحقیقاتی دانشگاه جنوب شرقی چین یک افزودنی جدید برای الکترولیت‌ها معرفی کرده است که ۱،۳-دی‌تیان نام دارد. این ترکیب بر پایه تیواتر طراحی شده و توانسته است سطح پایداری باتری را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.
در آزمایش‌های انجام‌شده، استفاده از این افزودنی باعث شد باتری‌ها بیش از ۳۳۰۰ چرخه شارژ و دشارژ را با عملکرد پایدار پشت سر بگذارند. این رقم به معنای عمر مفید بسیار طولانی‌تر در مقایسه با باتری‌های معمولی است که اغلب بعد از چند صد چرخه دچار افت شدید کارایی می‌شوند.
مکانیسم عمل؛ چگونه ۱،۳-دی‌تیان باتری را پایدار می‌کند؟
کلید موفقیت این افزودنی در نحوه واکنش آن با سطوح لیتیوم نهفته است. ساختار مولکولی آن فرآیندی به نام وارونگی قطبیت را ممکن می‌سازد. در این فرآیند، ۱،۳-دی‌تیان با ترکیبات لیتیوم واکنش داده و یک واسطه شیمیایی ایجاد می‌کند. این واسطه در نهایت یک لایه محافظ غنی از گوگرد روی الکترودها تشکیل می‌دهد.
این لایه محافظ نقش مهمی دارد:
- اجزای آلی ناپایدار را به ترکیبات معدنی پایدارتر تبدیل می‌کند.
- از حلال‌های کربناتی موجود در الکترولیت در برابر واکنش‌های مخرب شیمیایی محافظت می‌کند.
- یک فاز الکترولیت جامد میانی (SEI) پایدار و قابل اعتماد ایجاد می‌کند.
وجود این لایه SEI باعث می‌شود رشد دندریت‌ها به طور مؤثر سرکوب شود و ظرفیت باتری دیرتر از بین برود.
بهینه‌سازی سینتیکی و ترمودینامیکی
مزیت دیگر ۱،۳-دی‌تیان، توانایی آن در بهبود شرایط سینتیکی و ترمودینامیکی باتری است. این افزودنی خواص اکسایش-کاهش قوی دارد و تمایل زیادی به جذب روی سطح الکترودها نشان می‌دهد.
همچنین، یون‌های PF6- موجود در الکترولیت با کمک این افزودنی وارد فرآیند تشکیل لایه‌های معدنی می‌شوند. نتیجه آن یک سطح پایدارتر با رسانایی یونی بالا است. این یعنی یون‌های لیتیوم می‌توانند راحت‌تر حرکت کنند و مقاومت داخلی باتری کاهش یابد.
در عمل، این ویژگی‌ها باعث می‌شوند باتری حتی در چرخه‌های طولانی شارژ و دشارژ، عملکردی قوی و پایدار داشته باشد. برای خودروهای برقی که باید سال‌ها بدون افت شدید ظرفیت کار کنند، این یک پیشرفت حیاتی محسوب می‌شود.
نقش ویژه گوگرد؛ عددی شگفت‌انگیز
یکی از یافته‌های مهم این پژوهش، میزان بسیار بالای گوگرد در ۱،۳-دی‌تیان است. این ماده ۵۳.۵٪ گوگرد دارد؛ رقمی که تقریباً دو برابر بیشتر از افزودنی‌های گوگردی رایج است.
این غلظت بالای گوگرد باعث می‌شود حتی در مقادیر کم، تاثیر زیادی در پایدارسازی سطح مشترک الکترود داشته باشد. به زبان ساده، تولیدکنندگان می‌توانند بدون افزایش چشمگیر هزینه‌ها یا تغییرات بزرگ در خط تولید، عملکرد باتری را بهبود دهند.
مقیاس‌پذیری و آینده کاربردی
به نقل از IE، یکی از نکات مثبت این راهکار، مقرون‌به‌صرفه بودن و قابلیت استفاده گسترده آن است. محققان تأکید کرده‌اند که افزودنی ۱،۳-دی‌تیان می‌تواند با هزینه پایین و بدون پیچیدگی‌های تولیدی، به باتری‌های لیتیوم-فلزی اضافه شود.
به همین دلیل، این روش می‌تواند مسیر را برای تولید باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا و طول عمر طولانی در مقیاس صنعتی باز کند.
این پروژه همچنین حمایت نهادهای مهمی مانند برنامه ملی تحقیق و توسعه کلیدی چین و بنیاد ملی علوم طبیعی چین را به دست آورده است. نتایج تحقیق نیز در نشریه معتبر National Science Review منتشر شده است.
پیشرفت جدید محققان چینی نشان می‌دهد که آینده باتری‌های لیتیوم-فلزی روشن‌تر از همیشه است. افزودنی ۱،۳-دی‌تیان نه تنها توانسته است مشکل ناپایداری آندهای لیتیوم را برطرف کند، بلکه عمر باتری را به بیش از ۳۳۰۰ چرخه شارژ و دشارژ افزایش داده است.
با وجود ۵۳.۵٪ گوگرد در ترکیب این ماده و قابلیت اجرای آسان آن در خطوط تولید، می‌توان انتظار داشت که این فناوری به‌زودی راه خود را به بازار خودروهای برقی باز کند. اگر این روند ادامه یابد، باتری‌های آینده نه‌تنها ظرفیت بیشتر و طول عمر بالاتری خواهند داشت، بلکه امنیت و پایداری بهتری هم برای مصرف‌کنندگان فراهم می‌کنند.
