آند فلزی شبه مایع برای باتریهای نسل جدید
محققان دانشکده‌های علوم و مهندسی دانشگاه کارنگی ملون یک آند پایه فلزی از لیتیوم شبه مایع را توسعه داده‌اند که نشان‌دهنده یک الگوی جدید در طراحی باتری است. باتریهای لیتیومی تولید شده با این نوع الکترود جدید می‌توانند دارای ظرفیت بالاتر و همچنین بسیار ایمن‌تر از باتریهای پایه فلزی لیتیومی استفاده کننده از فویل لیتیوم به عنوان آند باشند. این گروه تحقیقاتی بین رشته‌ای یافته‌های خود را در شماره جاری ژورنال joule به چاپ رساندند.
باتریهای پایه لیتیومی یکی از رایج ترین انواع باتریهای قابل شارژ هستند که به دلیل دارا بودن قابلیت ذخیره مقادیر زیاد انرژی، در وسایل الکترونیکی مدرن استفاده می شوند. معمولا این باتری‌ها از الکترولیت‌های مایع قابل اشتغال و دو الکترود آند و کاتد که توسط یک غشا جدا شده اند ساخته می شوند.
بعد از اینکه یک باتری به طور مکرر شارژ و دشارژ شود، رشته های لیتیوم به نام دندریت می توانند روی سطح الکترود رشد کنند. این دندریت ها می توانند از طریق غشا که دو الکترود را جدا می کند نفوذ کنند. این عمل به تماس بین کاتد و آند منجر می‌شود که می تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه در باتری و در بدترین حالت آتش گرفتن شود.
Krzysztof Matyjaszewski استاد علوم طبیعی در دانشکده شیمی کارنگی ملون دانشگاه جی سی وارنر می گوید: بکارگیری یک آند فلزی از لیتیوم در باتریهای لیتیوم-یون، یک پتانسیل تئوری برای ساختن باتری با ظرفیت بسیار بیشتر از باتری با یک آند گرافیتی دارد. اما مهمترین چیزی که ما به آن احتیاج داریم، اطمینان حاصل کردن از ایمن بودن باتری ساخته شده توسط ما است. یک راه حل مطرح شده برای الکترولیت‌های مایع ناپایدار استفاده شده در باتریهای فعلی، جایگزینی آن‌ها با الکترولیت های سرامیکی جامد است. این الکترولیت ها بسیار رسانا، اشتعال ناپذیر و به اندازه کافی مقاوم در برابر دندریت ها هستند. با این حال محققان دریافته‌اند تماس بین الکترولیت سرامیکی و یک آند جامد لیتیومی برای ذخیره و عرضه مقدار توان مورد نیاز اکثر وسایل الکترونیکی کافی نیست.
Sipei Li، دانشجوی دکترای دانشکده شیمی کارنگی ملون و Han Wang دانشجوی دکترای دانشکده مهندسی و علم مواد کارنگی ملون توانستند بر این مشکل با ساخت یک دسته از مواد جدید که می توانند به عنوان یک آند فلزی شبه مایع استفاده شوند غلبه کنند.
تحت راهنمایی دانشمندان کارنگی ملون، لی و وانگ یک آند کاپوزیتی رسانای دوتایی از پلیمر و کربن را ایجاد کردند که حاوی میکروذرات لیتیوم با توزیع یکنواخت در سرتاسر آن است. این آند حالت مایع خود را در دمای محیط حفظ می کند که به آن امکان ایجاد مقدار تماس کافی با الکترولیت جامد را می دهد.
آنان با ترکیب نمودن آند فلزی شبه مایع با الکترولیت جامد سرامیکی از جنس گارنت توانستند سلول را در چگالی جریانی با مقدار ده برابر بزرگتر از چگالی جریان استفاده شده در الکترولیت جامد و یک آند مرسوم از فویل لیتیوم تحت چرخه قرار دهند. همچنین این سلول عمر چرخه ای طولانی تری نسبت به سلول های مرسوم دارد.
Whitacre افزود: این شیوه منجر به ساخت آند باتری پایه فلزی لیتیومی می شود، به گونه ای که حالت مایع دارد و دارای ایمنی و عملکرد بسیار عالی در مقایسه با فلز لیتیوم معمولی است. فراوری مواد جدید مانند این، می‌تواند منجر به تغییر جهشی در باتریهای قابل شارژ پایه لیتیومی گردد و ما با جدیت برای دیدن چگونگی این کارها در طیف وسیعی از معماری های باتری تلاش می کنیم.
این محققان معتقدند که روش آن‌ها می تواند تاثیرات فراگیری داشته باشد. برای مثال این نوع از آند‌ها می توانند در ساخت باتریهای با ظرفیت بالا برای خودروهای الکتریکی و باتریهای تجهیزات پوشیدنی که نیازمند ادوات انرژی انعطاف پذیر هستند به کار روند. آنان همچنین باور دارند که روش آن ها می تواند فراتر از لیتیوم به سایر سیستم های باتریهای قابل شارژ از جمله باتریهای فلز-سدیم و باتریهای فلز-پتاسیم گسترش یابد و نیز ممکن است بتواند در ذخیره سازی انرژی شبکه‌ای مورد استفاده واقع شود.
منبع خبر: www.sciencedaily.com
تاریخ انتشار: 12 ژوئن 2019
مترجم: محسن کریم پور
ویراستار: حسین جعفری پور
