توسط : 
پژوهشگران الکترولیت جدیدی ساختهاند که به باتریهای لیتیوم-فلزی کمک میکند تا در عرض ۱۵ دقیقه بهطور ایمن شارژ کامل برسند.
باتریهای لیتیوم-فلزی (LMBs) نوعی باتری قابل شارژ هستند که در آنها آند – یعنی الکترودی که جریان از طریق آن وارد مدار خارجی شده و فرایند اکسیداسیون (از دست دادن الکترون) در آن رخ میدهد – از فلز لیتیوم خالص ساخته میشود.
در مقایسه با باتریهای متداول لیتیوم-یون (LIBs) که امروزه منبع تغذیه اغلب دستگاههای الکترونیکی هستند، LMBها از نظر چگالی انرژی پتانسیل بالاتری دارند، میتوانند سریعتر شارژ شوند و قابلیت عملکرد در شرایط محیطی سختتر، ازجمله دماهای بسیار پایین یا بالا، را ارائه دهند؛ اما یک مشکل بزرگ دارند و آن اینکه شارژ سریع و ایمن آنها تقریباً غیرممکن است.
به گزارش Tech Xplore، پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری چین موفق شدهاند با طراحی یک الکترولیت با معماری مولکولی نوآورانه، این چالش را برطرف کنند. باتریهای ساختهشده با این الکترولیت جدید میتوانند تنها در ۱۵ دقیقه، بهطور کامل و ایمن شارژ شوند.
تفاوت بنیادین با باتریهای رایج
باتریهای لیتیوم–فلزی (LMB) در مقایسه با باتریهای لیتیوم–یونی متداول در تلفنهای همراه و لپتاپها، چگالی انرژی بسیار بالاتری دارند. تفاوت کلیدی آنها در ساختار آند است: در این نسل، آند از لیتیوم خالص ساخته میشود، در حالی که در باتریهای لیتیوم–یونی از ترکیبات لیتیوم استفاده میشود.
لیتیوم خالص توان ذخیره انرژی بیشتری دارد، اما کنترل رفتار الکتروشیمیایی آن دشوارتر است و همین موضوع، شارژ سریع و ایمن را به یک چالش جدی تبدیل کرده است.
در فرایند شارژ، الکترونها و یونهای لیتیوم باید با سرعت از مرز مشترک میان الکترود و الکترولیت عبور کنند؛ فرایندی که «انتقال بار» نام دارد. اگر این انتقال با کندی انجام شود، واکنشهای جانبی ناخواسته شکل میگیرد و پایداری سامانه به خطر میافتد.
تهدید دندریتهای لیتیومی
مهمترین پیامد این اختلال، شکلگیری دندریتهای لیتیومی است؛ ساختارهای سوزنیشکلی که در اثر رسوب ناهمگون لیتیوم ایجاد میشوند و میتوانند:
- عملکرد باتری را مختل کنند،
- باعث اتصال کوتاه داخلی شوند،
- و در موارد حاد، به آتشسوزی یا انفجار منجر شوند.
راهکار مولکولی پژوهشگران
تیمی به سرپرستی «دایگن روان» و «شونچیانگ چن» در مقالهای منتشرشده در نشریه Nature Energy، رویکردی نوین ارائه کردهاند. آنها با مهندسی دقیق ساختار حلالهای الکترولیت، شرایطی ایجاد کردند که الکترونها در یک کانال منظم و مسطح موسوم به PAEC آرایش یابند.
این معماری جدید، برهمکنش میان الکترونها و یونهای لیتیوم را تقویت کرده و سینتیک واکنشهای الکتروشیمیایی را بهطور قابلتوجهی بهبود میبخشد. در نتیجه، انتقال بار سریعتر انجام میشود، بدون آنکه واکنشهای جانبی مخرب شکل بگیرد.
نتایج آزمایشگاهی: شارژ کامل در ۱۵ دقیقه
آزمایش این الکترولیت در باتریهای کیسهای (pouch cell) نتایج چشمگیری به همراه داشت:
- شارژ کامل در ۱۵ دقیقه
- نرخ شارژ معادل چهار برابر ظرفیت اسمی باتری
- دستیابی به چگالی توان شارژ ۱۷۴۷ وات بر کیلوگرم
- حفظ پایداری در چرخههای مکرر شارژ
چنین عملکردی در شرایط شارژ فوقسریع (UFC) تاکنون بیسابقه گزارش شده است.
افق پیشرو
پژوهشگران تأکید میکنند این مطالعه برای نخستینبار پیوند میان ساختار الکترونی حلال و دینامیک انتقال بار را بهصورت نظاممند آشکار کرده است؛ دستاوردی که میتواند چارچوبی جدید برای طراحی الکترولیتها در شرایط الکتروشیمیایی شدید فراهم کند.
اگرچه باتریهای لیتیوم–فلزی هنوز به مرحله تجاریسازی گسترده نرسیدهاند، اما این پیشرفت میتواند مسیر تحقق باتریهایی با چگالی انرژی بالا، شارژ فوقسریع و ایمنی ارتقایافته را هموار کند.
شاید در آیندهای نهچندان دور، شارژ کامل تلفن همراه تنها ۱۵ دقیقه زمان ببرد یا خودروی برقی در مدت کوتاهی انرژی موردنیاز صدها کیلومتر پیمایش را ذخیره کند. این پژوهش نشان میدهد که تحقق چنین سناریویی بیش از هر چیز، به مهندسی دقیق در مقیاس مولکولی وابسته است.
