MIT Discovery می‌تواند قفل باتری لیتیومی ایمن و سبک‌تر را باز کند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، باتری‌های لیتیومی حالت جامد تحت تأثیر رشد رشته‌های فلزی شاخه مانند قرار می‌گیرند. یک مطالعه اخیر به بررسی شکل گیری این رشته‌ها می‌پردازد و راه حلی برای جلوگیری از شکل گیری آن‌ها و حفظ انرژی باتری ارائه می‌دهد.

محققان موسسه فناوری ماساچوست به پیشرفتی دست یافته اند که می‌تواند راه را برای توسعه یک باتری لیتیومی قابل شارژ انقلابی هموار کند. انتظار می‌رود این طراحی جدید سبک‌تر، جمع‌وجورتر و ایمن‌تر از مدل‌های موجود باشد.

کلید این جهش بالقوه در فناوری باتری، جایگزینی الکترولیت مایع بین الکترود‌های مثبت و منفی با یک لایه بسیار نازک‌تر و سبک‌تر از مواد سرامیکی جامد و جایگزینی یکی از الکترود‌ها با فلز لیتیوم جامد است. این امر اندازه و وزن کلی باتری را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و خطر ایمنی مرتبط با الکترولیت‌های مایع را که قابل اشتعال هستند از بین می‌برد. اما این تلاش با یک مشکل بزرگ مواجه شده است: دندریت ها.

دندریت‌ها که نام آن‌ها از لاتین شاخه‌ها می‌آید، برآمدگی‌هایی از فلز هستند که می‌توانند روی سطح لیتیوم جمع شوند و به الکترولیت جامد نفوذ کنند و در نهایت از یک الکترود به الکترود دیگر عبور کنند و سلول باتری را کوتاه کنند. محققان نتوانسته‌اند در مورد اینکه چه چیزی باعث پیدایش این رشته‌های فلزی می‌شود به توافق برسند، همچنین پیشرفت زیادی در مورد نحوه جلوگیری از آن‌ها و در نتیجه تبدیل باتری‌های سبک وزن به یک گزینه عملی صورت نگرفته است.

به نظر می‌رسد این تحقیق جدید که اخیراً در مجله Joule در مقاله‌ای توسط پروفسور یت مینگ چیانگ MIT، دانشجوی فارغ التحصیل کول فینچر و پنج نفر دیگر در MIT و دانشگاه براون منتشر شده است، این سوال را حل کند که چه چیزی باعث تشکیل دندریت می‌شود. همچنین نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از عبور دندریت‌ها از الکترولیت جلوگیری کرد.

چیانگ می‌گوید در کار قبلی این گروه، آن‌ها به یافته‌ای «غافلگیرکننده و غیرمنتظره» دست یافتند، و آن این بود که مواد الکترولیت سخت و جامد مورد استفاده برای باتری حالت جامد می‌توانند توسط لیتیوم، که یک فلز بسیار نرم است، در طول فرآیند نفوذ کنند. شارژ و دشارژ باتری، به عنوان حرکت یون‌های لیتیوم بین دو طرف.

این رفت و برگشت یون‌ها باعث تغییر حجم الکترود‌ها می‌شود. این امر ناگزیر باعث ایجاد تنش در الکترولیت جامد می‌شود که باید به طور کامل با هر دو الکترود که بین آن‌ها قرار می‌گیرد در تماس باقی بماند. چیانگ می‌گوید: برای رسوب دادن این فلز، باید حجم آن افزایش یابد، زیرا جرم جدیدی اضافه می‌کنید. بنابراین، افزایش حجم در سمت سلولی که لیتیوم در آن رسوب می‌کند، وجود دارد؛ و اگر حتی نقص‌های میکروسکوپی وجود داشته باشد، این باعث ایجاد فشار بر روی آن معایب می‌شود که می‌تواند باعث ترک خوردن شود.

تیم اکنون نشان داده است که این فشار‌ها باعث ایجاد ترک‌هایی می‌شود که به دندریت‌ها اجازه تشکیل می‌دهند. به نظر می‌رسد که راه حل مشکل استرس بیشتر است که در جهت درست و با مقدار نیروی مناسب اعمال می‌شود.

در حالی که قبلاً، برخی از محققان فکر می‌کردند که دندریت‌ها به جای فرآیند مکانیکی، توسط یک فرآیند الکتروشیمیایی صرف تشکیل می‌شوند، آزمایشات تیم نشان می‌دهد که این تنش‌های مکانیکی هستند که باعث ایجاد مشکل می‌شوند.

فرآیند تشکیل دندریت به طور معمول در اعماق مواد مات سلول باتری انجام می‌شود و نمی‌توان مستقیماً آن را مشاهده کرد، بنابراین فینچر راهی برای ساخت سلول‌های نازک با استفاده از یک الکترولیت شفاف ایجاد کرد که اجازه می‌دهد کل فرآیند مستقیماً دیده و ثبت شود. او می‌گوید: شما می‌توانید ببینید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی فشرده‌سازی را روی سیستم وارد می‌کنید، و می‌توانید ببینید که آیا دندریت‌ها به گونه‌ای رفتار می‌کنند که متناسب با فرآیند خوردگی یا فرآیند شکستگی است یا خیر.

این تیم نشان داد که آن‌ها می‌توانند رشد دندریت‌ها را مستقیماً با اعمال و آزاد کردن فشار دستکاری کنند و باعث شوند که دندریت‌ها در راستای حرکت نیرو به حالت زیگ و زاگ درآیند.

اعمال تنش‌های مکانیکی به الکترولیت جامد، تشکیل دندریت‌ها را از بین نمی‌برد، اما جهت رشد آن‌ها را کنترل می‌کند. این بدان معنی است که می‌توان آن‌ها را به موازات دو الکترود هدایت کرد و از عبور آن‌ها به طرف دیگر جلوگیری کرد و در نتیجه بی ضرر شوند.

در آزمایشات خود، محققان از فشار ناشی از خم کردن مواد استفاده کردند که به یک تیر با وزن در یک انتهای آن تبدیل شد. اما آن‌ها می‌گویند که در عمل، راه‌های مختلفی برای ایجاد استرس مورد نیاز وجود دارد. به عنوان مثال، الکترولیت را می‌توان با دو لایه ماده که دارای مقادیر متفاوتی از انبساط حرارتی هستند، ساخته شود، به طوری که مانند برخی از ترموستات ها، خمش ذاتی مواد وجود داشته باشد.

رویکرد دیگر این است که مواد را با اتم‌هایی که در آن جاسازی می‌شوند، «داپ کردن» آن، اعوجاج آن و رها کردن آن در حالت استرس دائمی باشد. چیانگ توضیح می‌دهد که این همان روشی است که برای تولید شیشه فوق سخت مورد استفاده در صفحه نمایش گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها استفاده می‌شود؛ و مقدار فشار مورد نیاز زیاد نیست: آزمایش‌ها نشان داد که فشار‌های ۱۵۰ تا ۲۰۰ مگا پاسکال برای جلوگیری از عبور دندریت‌ها از الکترولیت کافی است.

فینچر اضافه می‌کند که فشار مورد نیاز متناسب با تنش‌هایی است که معمولاً در فرآیند‌های رشد فیلم تجاری و بسیاری از فرآیند‌های تولید دیگر ایجاد می‌شود، بنابراین اجرای آن در عمل دشوار نیست.

در واقع، نوع دیگری از تنش، به نام فشار پشته، اغلب به سلول‌های باتری اعمال می‌شود، که اساساً مواد را در جهت عمود بر صفحات باتری فشار می‌دهند - تا حدودی مانند فشرده کردن ساندویچ با قرار دادن وزنه روی آن. تصور می‌شد که این ممکن است به جلوگیری از جدا شدن لایه‌ها کمک کند. اما آزمایش‌ها اکنون نشان داده‌اند که فشار در آن جهت در واقع تشکیل دندریت را تشدید می‌کند. فینچر می‌گوید: ما نشان دادیم که این نوع فشار پشته‌ای در واقع شکست ناشی از دندریت را تسریع می‌کند.

چیزی که در عوض مورد نیاز است فشار در امتداد صفحه صفحات است، به گونه‌ای که گویی ساندویچ از طرفین فشرده می‌شود. فینچر می‌گوید: آنچه در این کار نشان داده‌ایم این است که وقتی نیروی فشاری اعمال می‌کنید، می‌توانید دندریت‌ها را مجبور کنید در جهت فشرده‌سازی حرکت کنند، و اگر این جهت در امتداد صفحه صفحات باشد، دندریت‌ها می‌خواهند هرگز به طرف مقابل نرو.

این در نهایت می‌تواند تولید باتری با استفاده از الکترولیت جامد و الکترود‌های لیتیوم فلزی را عملی کند. این‌ها نه تنها انرژی بیشتری را در حجم و وزن معینی بسته بندی می‌کنند، بلکه نیاز به الکترولیت‌های مایع را که مواد قابل اشتعال هستند، از بین می‌برند.

چیانگ می‌گوید پس از نشان دادن اصول اولیه درگیر، گام بعدی تیم تلاش برای استفاده از آن‌ها برای ایجاد یک نمونه اولیه باتری کاربردی و سپس کشف اینکه دقیقاً چه فرآیند‌های تولیدی برای تولید چنین باتری‌هایی به مقدار لازم است، خواهد بود. او می‌گوید اگرچه آن‌ها برای ثبت اختراع ثبت کرده‌اند، اما محققان قصد ندارند خودشان این سیستم را تجاری کنند، زیرا شرکت‌هایی در حال حاضر روی توسعه باتری‌های حالت جامد کار می‌کنند. 

او می‌گوید: می‌توانم بگویم این درک حالت‌های خرابی در باتری‌های حالت جامد است که ما معتقدیم صنعت باید از آن آگاه باشد و سعی کند در طراحی محصولات بهتر از آن استفاده کند.