راهکار مرموز چینی برای انقلابی در دنیای باتری های لیتیوم-یونی / آیا چینی‌ها راز طول عمر باتری‌های لیتیومی را کشف کردند؟

به گزارش تجارت نیوز، باتری‌های لیتیوم-یونی ستون فقرات دنیای امروز ما هستند. از تلفن‌های هوشمند گرفته تا خودروهای برقی و سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر، این باتری‌ها نقشی حیاتی در زندگی روزمره و آینده انرژی پاک ایفا می‌کنند. اما با وجود تمام مزایا، محدودیت‌هایی مانند کاهش ظرفیت در طول زمان، خطر گرمای بیش از حد، مسائل ایمنی و هزینه‌های بالای تولید به دلیل اتکا به فلزات کمیاب، مانع توسعه پایدار این فناوری شده‌اند. به همین دلیل، دانشمندان در سراسر جهان به دنبال راهکارهایی هستند که باتری‌ها را بادوام‌تر، ایمن‌تر و پرظرفیت‌تر کنند.

یکی از جدیدترین پیشرفت‌ها در این زمینه، توسعه یک پوشش دو پوسته‌ای نوآورانه توسط محققان چینی است که می‌تواند عمر کاتدهای غنی از لیتیوم را افزایش دهد و مسیر تازه‌ای برای تولید نسل آینده باتری‌های لیتیومی فراهم کند.

چالش‌های کاتدهای غنی از لیتیوم

اکسیدهای لایه‌ای غنی از لیتیوم (LRMO) در سال‌های اخیر به دلیل ظرفیت بالا و هزینه کمتر نسبت به برخی مواد دیگر، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. اما این مواد با مشکلات جدی روبه‌رو هستند:

• آزادسازی اکسیژن در ولتاژهای بالا که منجر به فروپاشی ساختاری می‌شود.
• خوردگی ناشی از تجزیه الکترولیت که باعث از بین رفتن فلز و کاهش عمر باتری می‌گردد.
• افت ولتاژ و کاهش ظرفیت در طول زمان.

راهکارهای قبلی برای پوشش‌دهی کاتدها یا مانع از انتقال سریع یون‌های لیتیوم می‌شدند یا پس از چند بار چرخه شارژ و دشارژ از بین می‌رفتند.

راهکار جدید: طراحی LiF@spinel

محققان دانشگاه هبی و دانشگاه لونگیان چین، راهکاری جدید با عنوان LiF@spinel ارائه کرده‌اند که ترکیبی از دو لایه محافظ است:

1. لایه اسپینل داخلی: این لایه به‌طور مستقیم روی سطح کاتد تشکیل می‌شود و یک شبکه سه‌بعدی ایجاد می‌کند که حرکت سریع یون‌های لیتیوم را تسهیل می‌کند.
2. لایه LiF بیرونی: این پوشش مانند یک سپر عمل می‌کند و از حمله خورنده الکترولیت جلوگیری می‌کند. این لایه با پیوندهای شیمیایی Ni-F به سطح متصل می‌شود و پایداری بالایی دارد.

این پوشش از طریق بازسازی درجا ساخته شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس، یکپارچگی و ادغام کامل دو لایه تأیید شده است.

نتایج آزمایش‌ها

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این طراحی دو پوسته‌ای عملکردی بسیار بهتر از نمونه‌های بدون پوشش دارد:

• در دمای ۲ درجه سانتی‌گراد، کاتد پوشش‌دار پس از ۱۵۰ چرخه شارژ و دشارژ هنوز ۸۱.۵ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرده است، در حالی که نمونه بدون پوشش تنها ۶۳.۲ درصد ظرفیت خود را نگه داشته است.
• حتی در شرایط سخت و چرخه‌های فوق سریع در دمای ۵ درجه سانتی‌گراد، باتری‌های با طراحی LiF@spinel بیش از ۸۰ درصد از ظرفیت خود را حفظ کردند.
• نتایج امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که این پوشش باعث مقاومت کمتر، جریان سریع‌تر یون‌ها و کاهش چشمگیر محصولات جانبی خورنده می‌شود.

پیامدهای فناوری جدید

به گفته محققان، این دستاورد می‌تواند تحول بزرگی در دنیای باتری‌ها ایجاد کند:

• خودروهای برقی می‌توانند با برد بیشتر و عمر طولانی‌تر باتری وارد بازار شوند.
• دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مانند لپ‌تاپ و گوشی‌های هوشمند می‌توانند مدت بیشتری کار کنند.
• سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر (مانند انرژی خورشیدی و بادی) می‌توانند کارآمدتر و مطمئن‌تر شوند.

همچنین از آنجا که طراحی LiF@spinel قابلیت انطباق با سایر مواد الکترود ناپایدار را دارد، می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت‌های گسترده‌تر در ذخیره‌سازی انرژی باشد.

پشتیبانی و انتشار علمی

این تحقیق با حمایت چندین نهاد علمی و پژوهشی انجام شده است:

• پروژه تحقیقات علمی اداره آموزش و پرورش هبی
• برنامه تحقیقات میان‌رشته‌ای دانشگاه هبی
• بنیاد ملی علوم طبیعی چین
• پروژه توسعه علم و فناوری محلی استان هبی تحت هدایت دولت مرکزی
• تیم تحقیقات علمی و نوآوری دانشگاه هبی

یافته‌های این پژوهش در مجله معتبر Energy Materials and Devices منتشر شده است.

باتری‌های لیتیوم-یونی آینده انرژی پاک هستند، اما محدودیت‌های فنی آنها نیازمند نوآوری‌های اساسی است. پژوهش جدید با طراحی پوشش دو لایه LiF@spinel نشان داد که می‌توان عمر و ظرفیت این باتری‌ها را به شکل چشمگیری افزایش داد. این دستاورد می‌تواند نقطه عطفی برای توسعه خودروهای برقی بادوام‌تر، دستگاه‌های الکترونیکی کارآمدتر و سیستم‌های ذخیره انرژی مطمئن‌تر باشد. در جهانی که به سرعت به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر پیش می‌رود، چنین نوآوری‌هایی می‌توانند آینده‌ای پایدارتر و سبزتر رقم بزنند.