مطالعه نشان می دهد مسیر برای بهبود باتری های قابل شارژ لیتیوم

۲۵ تیر ۱۳۹۶ کافه

اکثر باتری های لیتیوم یونی امروزه، که همه چیز را از اتومبیل به تلفن های قدرت، از مایع به عنوان الکترولیت بین دو الکترود استفاده کنید. در عوض با استفاده از یک الکترولیت جامد می تواند مزایای عمده ای را برای ظرفیت ذخیره سازی انرژی و ایمنی ارائه دهد، اما تلاش برای انجام این کار با چالش های غیر منتظره مواجه است.

اکنون محققان گزارش می دهند که مشکل ممکن است یک تفسیر نادرست از این است که چگونه چنین باتری ها خراب می شوند. یافته های جدید، که می تواند راه های جدید برای توسعه باتری های لیتیوم با الکترولیت جامد را باز کند، در مجله مواد پیشرفته انرژی ، در مقاله ای که توسط یت مینگ چیانگ، پروفسور سرامیک کیتسرا در MIT، گزارش شده است. W. کریگ کارتر، استاد علوم و مهندسی POSCO در MIT؛ و هشت نفر دیگر.

الکترولیت در باتری ماده ای است که بین الکترودهای مثبت و منفی وجود دارد – نوعی پر شدن ساندویچ باتری است. هر بار که باتری شارژ یا تخلیه می شود، یون ها (اتم ها یا مولکول های شارژ الکتریکی) از طریق الکترولیت از یک الکترود به یکدیگر عبور می کنند.

اما این الکترولیت های مایع می تواند قابل اشتعال باشد و مسئولیت برخی آتش سوزی های ناشی از چنین باتری ها را بر عهده داشته است. آنها همچنین به تشکیل دندریتها وابسته هستند – طرحهای نازک و انگشتی از فلز که از یک الکترود ساخته میشوند و اگر به تمام الکترود برسند میتوانند یک مدار کوتاه را ایجاد کنند که میتواند به باتری آسیب برساند.

محققان سعی کرده اند با استفاده از یک الکترولیت ساخته شده از مواد جامد، مانند برخی از سرامیک، این مشکلات را حل کنند. این می تواند مسئله اشتعال را از بین ببرد و سایر مزایای بزرگ را ارائه دهد، اما آزمایش ها نشان داده اند که این مواد تمایل به انجام بعضی محدودیت ها دارند و نسبت به انتظارات نسبت به کوتاه مدت بیشتر مستعد هستند.

بر اساس این مطالعه، مشکل این است که محققان در جستجوی مواد مغناطیسی الکترولیتی متمرکز بر خواص اشتباه شده اند. ایده غالب این بود که استحکام و سختی مواد (اموال به نام مدول برشی) تعیین می کند که آیا دندریت ها می توانند به الکترولیت نفوذ کنند. اما تجزیه و تحلیل جدید نشان داد که این صافی سطح است که بیشترین اهمیت را دارد. محققان دریافتند که حفره ها و خراش های میکروسکوپی بر روی سطح الکترولیت ممکن است برای نگهداشتن رسوبات فلزی به کار خود ادامه دهند.

این نشان می دهد که چیانگ می گوید که صرفا تمرکز بر روی رسیدن به سطوح صاف، می تواند مشکل ایجاد دندریت در باتری های الکترولیت جامد را کاهش دهد یا به شدت کاهش دهد. علاوه بر اجتناب از مشکل اشتعال، همراه با الکترولیت های مایع، این روش می تواند امکان استفاده از یک الکترود فلز لیتیوم جامد را نیز فراهم کند. این کار به طور بالقوه میتواند ظرفیت انرژی باتری لیتیوم یون را دو برابر کند، یعنی توانایی آن برای ذخیره انرژی برای یک وزن مشخص، که برای وسایل نقلیه و وسایل قابل حمل بسیار مهم است.

"چیانگ توضیح می دهد" شکل گیری دندریت ها، منجر به شکست ناهنجاری در نهایت، دلیل اصلی این بود که باتری های قابل شارژ لیتیوم فلزی امکان پذیر نبود. " (الکترود های فلز لیتیم به طور معمول در باتری های غیر قابل شارژ استفاده می شوند، اما این به این دلیل است که دندریت ها فقط در طی فرآیند شارژ تشکیل می شوند.)

چیانگ می گوید: "مشکل ساخت دندریت در باتری های قابل شارژ لیتیوم ابتدا در سال ۱۹۷۰ به رسمیت شناخته شد." و ۴۵ سال بعد این مشکل هنوز حل نشده است. اما هدف هنوز هم تحقیر آمیز است، "به دلیل توانایی دو برابر ظرفیت باتری با استفاده از الکترودهای فلز لیتیوم.

در چند سال گذشته، تعدادی از گروه ها تلاش کرده اند الکترولیت های جامد را به عنوان راهی برای استفاده از الکترودهای فلزی لیتیوم ایجاد کنند. چیانگ می گوید: دو نوع اصلی وجود دارد: سولفید فتوس لیتیوم و اکسید های فلزی. با تمام این تلاش های تحقیقاتی، یکی از افکار غالب، این بود که مواد مورد نیاز برای سفت شدن و انعطاف پذیری نیستند. اما این مواد تمایل دارند نتایج ناسازگاری و گیج کننده را در آزمایشات آزمایش نشان دهند.

چیانگ می گوید این ایده منطقی است؛ مواد سخت تر باید نسبت به چیزی که در تلاش برای فشار دادن به سطح آن است مقاومت بیشتری داشته باشد. اما کار جدید، که در آن تیم نمونه هایی از چهار نوع مختلف الکترولیت جامد الکترولیتی را آزمایش کرد و جزئیات نحوه عملکرد آنها را در طی چرخه های شارژ و تخلیه مشاهده کرد، نشان داد که در واقع دندریت ها در مواد جامد سخت، از آنهایی که در الکترولیت های مایع تشکیل می شوند.

در سطوح جامد، لیتیوم از یکی از الکترودها، از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی، روی هر نقصی کوچک روی سطح الکترولیت، از جمله چاله های کوچک، شکاف ها و خراش ها، رسوب می شود. هنگامی که سپرده های اولیه بر روی چنین نقص ایجاد می شود، ساخت آن همچنان ادامه دارد – و به طرز شگفت انگیزی، انبساط از نوک دندریت گسترش می یابد، نه از پایه آن، به دلیل اینکه راه خود را به جامد می رساند و مانند گوه عمل می کند و باز می شود یک ترفند همیشه گسترده.

چیانگ می گوید: این مواد بسیار حساس به تعداد و اندازه نقائص سطحی و نه ویژگی های فله ای مواد هستند. "این انتشار تکه ای است که منجر به شکست می شود. … به ما می گوید که آنچه که باید بیشتر تمرکز کنیم این است که کیفیت سطوح، ما چگونه می توانیم این فیلم های الکترولیت جامد را به نحوی صاف و بدون نقص تولید کنیم. »

"من اعتقاد دارم که این کار با کیفیت بالا و رمان تفکر در مورد نحوه طراحی و ساخت باتری های حالت جامد حالت لیتیوم معمولی را بازنویسی می کند"، آلن لونتز، استاد مشاور تحقیق باتری فلزات در دانشگاه استنفورد، که در این تحقیق شرکت نکرد. "نویسندگان نشان داده اند که یک ساز و کار متفاوت، اتصال کوتاه فلز لیتیوم را در باتری های حالت جامد حالت لیتیوم نسبت به باتریهای لیتیوم مایع یا پلیمر که در آن dendrites شکل می گیرد، کنترل می کند. … این بدان معنی است که اگر باتری های جامد حالت لیتیوم در حال حاضر دارای تراکم فعلی عملی باشند، از این رو، کاهش دقیق تمام نقص های ساختاری در رابط فلزی و الکترولیت لیتیوم ضروری است. »

لونتز می افزاید: "من فکر می کنم که این اهداف بسیار مهم برای هدف توسعه همه نوع باتری های جامد حالت عملی و ایمن است"

تیم تحقیقاتی شامل لوکاس پراس، توشار Swamy، دانیل Rettenwander، و هری توماس در MIT؛ استفان براندتس در دانشگاه فنی برلین؛ راینهارد ایکر در موسسه لایبنیتس برای رشد کریستال در برلین؛ بران شلدون در دانشگاه براون؛ و Till Fromling در دانشگاه فنی دمرستات، آلمان

دانلود آهنگ مسعود صادقلو ما به هم میایم