روشی برای ساخت باتری‌های ایمن‌تر و قوی‌تر خودروهای الکتریکی

 به نقل از ساینس‌دیلی، باتری‌های حالت جامد که در حال حاضر در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند ساعت‌های هوشمند استفاده می‌شوند، این پتانسیل را دارند که از باتری‌های لیتیوم-یونی، ایمن‌تر و قوی‌تر باشند و برای مواردی مانند خودروهای الکتریکی و ذخیره انرژی حاصل از پنل‌های خورشیدی برای استفاده بعدی به کار بروند. با وجود این، پیش از این که باتری‌های حالت جامد به صورت گسترده به کار بروند، چندین چالش فنی باقی می‌ماند.

پژوهشی که به سرپرستی “آزمایشگاه‌های ملی ساندیا”(Sandia National Laboratories) در آمریکا انجام شده است، یکی از این چالش‌ها را برطرف می‌کند. در این پژوهش، یک فرضیه قدیمی مورد بررسی قرار گرفته است مبنی بر این که افزودن مقداری الکترولیت مایع برای بهبود عملکرد، ایمنی باتری‌های حالت جامد را از بین می‌برد. پژوهشگران دریافتند که در بسیاری از موارد، باتری‌های حالت جامد با کمی الکترولیت مایع، ایمن‌تر از باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. همچنین، آنها دریافتند که اگر باتری با اتصال کوتاه، همه انرژی ذخیره شده خود را آزاد کند، می‌تواند مقدار خطرناک گرما را از بین ببرد.

“الکس بیتس”(Alex Bates)، سرپرست این پژوهش گفت: باتری‌های حالت جامد، پتانسیل ایمن‌تر بودن و داشتن چگالی بالاتری از انرژی را دارند. این بدان معناست که برای وسایل نقلیه الکتریکی، می‌توانیم فاصله بیشتری را بین شارژها داشته باشیم یا برای ذخیره انرژی در مقیاس شبکه، از باتری‌های کمتری استفاده کنیم. افزودن الکترولیت مایع ممکن است به پر کردن شکاف تجاری‌سازی، بدون به خطر انداختن ایمنی کمک کند.

توسعه باتری‌های بهتر با کمک علم شیمی

باتری‌های حالت جامد تا حدودی شبیه به باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. در هر دو باتری، یون‌های لیتیوم از یک طرف به سمت دیگر حرکت می‌کنند؛ در حالی که الکترون‌ها در مداری جریان می‌یابند تا دستگاه را تغذیه کنند. یک تفاوت بزرگ این است که در سرتاسر باتری لیتیوم-یونی، ماده‌ای وجود دارد که به حرکت سریع یون‌های لیتیوم کمک می‌کند؛ آن ماده الکترولیت مایع است.

“لورین تورس کاسترو”(Loraine Torres-Castro)، از پژوهشگران این پروژه، الکترولیت مایع را با ناوگانی از خودروهایی که به جاده‌ها می‌روند، مقایسه می‌کند. الکترولیت مایع، یون‌های لیتیوم را مستقیما به جایی که باید بروند منتقل می‌کند. با وجود این، الکترولیت‌های مایع کنونی، قابل اشتعال هستند و می‌توانند به انفجار یا آتش‌سوزی باتری منجر شوند؛ به خصوص زمانی که باتری آسیب دیده باشد.

در یک باتری حالت جامد، الکترولیت مایع با یک ماده جامد موسوم به الکترولیت جامد جایگزین می‌شود که به حرکت سریع یون‌های لیتیوم نیز کمک می‌کند. بیتس گفت: یکی از چالش‌های فنی این است که اگرچه یون‌های لیتیوم می‌توانند به سرعت در الکترولیت جامد حرکت کنند اما حرکت آنها از الکترولیت جامد به الکترودها و بالعکس دشوار است. الکترولیت جامد را می‌توان با قطاری مقایسه کرد که یون‌های لیتیوم را به سرعت به ایستگاه منتقل می‌کند اما مسافران باید مسافت بیشتری را سفر کنند تا به خانه برسند.

یکی از راه‌هایی که دانشمندان به واسطه آن، این شتاب مستقیم، سرعت شارژ باتری و عملکرد آن را افزایش داده‌اند، اضافه کردن کمی الکترولیت مایع به قطب مثبت باتری است.
“یولیا پرگر”(Yuliya Preger)، از پژوهشگران این پروژه گفت: باتری‌های حالت جامد در جامعه پژوهشی، بحث‌های زیادی را در مورد ایمنی استفاده از الکترولیت مایع پدید آورده‌اند. برخی از دانشمندان می‌گویند که الکترولیت مایع هر مقدار باشد، ناامن است. ما به جای این که صرفا این حرف را بپذیریم، محاسباتی را انجام دادیم تا ببینیم که تأثیرات الکترولیت مایع چه می‌تواند باشد.

باتری‌های حالت جامد چقدر ایمن هستند؟

پژوهشگران برای این که بفهمند یک باتری حالت جامد با کمی الکترولیت مایع چقدر ایمن خواهد بود، کار خود را با محاسبه میزان گرما در یک باتری لیتیوم-یون آغاز کردند که مقادیر مختلفی از الکترولیت مایع را در بر دارد. همه باتری‌های آزمایش‌شده دارای مقادیری از انرژی ذخیره‌شده بودند. سپس پژوهشگران، اتفاقات منفی را که ممکن است برای باتری‌ها رخ دهد و گرمایی را که به دلیل هر نوع خرابی آزاد می‌شود، بررسی کردند.

“جان هیوسون” (John Hewson)، از پژوهشگران این پروژه گفت: ما کار خود را با تعیین مقدار انرژی شیمیایی در سه نوع باتری آغاز کردیم.

کاسترو گفت: نخستین اتفاق بدی که ممکن است رخ دهد، این است که باتری‌ها آتش بگیرند. ما دریافتیم که در این موارد، باتری حالت جامد با کمی الکترولیت مایع در آن، حدود یک پنجم گرمای یک باتری لیتیوم-یون قابل مقایسه را تولید می‌کند که به میزان الکترولیت مایع آن بستگی دارد. باتری حالت جامد بدون وجود الکترولیت مایع، در این شرایط هیچ گرمایی تولید نمی‌کند.

دومین اتفاق بدی که ممکن است برای باتری‌ها رخ دهد، این است که شارژ کردن و تخلیه شارژ به صورت مکرر باعث می‌شود که فلز لیتیوم، خوشه‌ای موسوم به دندریت ایجاد کند. پرگر گفت: دندریت می‌تواند سوراخی را ایجاد کند که دو طرف را جدا از یکدیگر نگه می‌دارد و به اتصال کوتاه منجر می‌شود. این یک مشکل شناخته‌شده در مورد همه باتری‌هایی است که در یک طرف دارای فلز لیتیوم هستند. هر سه باتری در این مورد، مقادیر مشابهی از گرما را تولید کردند که به مقدار فلز لیتیوم در باتری‌ها بستگی داشت.

سومین اتفاق بدی که ممکن است برای باتری‌های حالت جامد رخ دهد، شکستن الکترولیت جامد است. به گفته کاسترو، اگر باتری خرد یا سوراخ شود، به اکسیژن موجود در یک طرف باتری اجازه می‌دهد تا با فلز لیتیوم در طرف دیگر واکنش نشان دهد. در این موارد، باتری حالت جامد بدون الکترولیت مایع می‌تواند به دمایی نزدیک به باتری لیتیوم-یونی برسد که برای پژوهشگران شگفت‌آور بود.

از محاسبات ایمن تا بررسی‌های آزمایشگاهی

پرگر گفت: یکی از وعده‌های باتری‌های حالت جامد این است که آنها ایمن هستند زیرا الکترولیت جامد، محکم است و احتمال شکستن باتری‌ها کم می‌شود اما اگر باتری شکسته شود، افزایش دما می‌تواند به اندازه زمانی باشد که باتری‌های لیتیوم-یونی از کار می‌افتند. این پژوهش، اهمیت مهندسی دقیق را برجسته می‌کند.

بیتس گفت: ما متوجه شدیم که اگر باتری حالت جامد دارای فلز لیتیوم باشد، بدون توجه به این که الکترولیت مایع دارد یا خیر، پتانسیل خطرناک بودن را دارد. آنچه که ما در این پژوهش سعی کردیم به آن اشاره کنیم، این است که یک معاوضه مشخص بین عملکرد و ایمنی وجود دارد اما افزودن کمی مایع ممکن است عملکرد را تا اندازه زیادی افزایش دهد و تنها تأثیر کمی بر ایمنی داشته باشد.

کاسترو افزود: درک این معاوضه ممکن است به تسریع تجاری‌سازی کمک کند. داشتن وضوح و اطمینان از اینکه وجود مقدار کمی الکترولیت مایع، مشکلات ایمنی بزرگی ایجاد نمی‌کند، ممکن است به توسعه باتری‌های حالت جامد تجاری کمک کند.

این پژوهش، در مجله “Joule” به چاپ رسید.