افزایش طول عمر باتری‌ها به کمک ساختار کریستالی منحصربه‌فرد
همزمان با توسعه هرچه بیشتر لوازم الکترونیکی و وسایل نقلیه برقی نیاز به باتری‌های کارآمدتر هم بیشتر احساس می‌شود. همچنین باتری‌ها به عنوان منبع تامین انرژی وسایل برقی باید همگام با نیازهای صنایع توسعه یابند. از این رو دانشمندان و شرکت‌های مطرح فناوری در سراسر جهان در راستای دستیابی به این هدف، مشغول پژوهش و سرمایه‌گذاری در این حوزه هستند. در پژوهشی جدید توسط تیمی مشترک از دانشگاه های سئول، واشنگتن و سیاتل، تاثیر اضافه نمودن چند عنصر به کاتد باتری لیتیومی با نسبت‌های مختلف و در نتیجه ساختار کریستالی آن‌ها بررسی شده است.
تغییر ساختار ؛ آغاز ماجرا
مهمترین معیارهای یک باتری مناسب و کارآمد :
- چگالی انرژی زیاد
- طول عمر بالا (برحسب تعداد چرخه های شارژ و دشارژ)
- قیمت تمام شده پایین
پژوهشگران با استفاده از عناصر شیمیایی متفاوت و انواع روش‌های علمی و مهندسی در تلاش هستند تا موارد گفته شده را تا بالاترین حد ممکن بهبود دهند. به طور معمول کاتد باتری‌های یون لیتیومی از لیتیوم و اکسید های کبالت و نیکل تشکیل می شود . در نوعی از باتری‌ها، اکسید آلومینیوم نیز به کار می‌رود. در این پژوهش اکسیدهای عناصر تالیم ،تنگستن ،منگنز و بور هر یک جداگانه به کاتد باتری لیتیومی اضافه گشته و تاثیر این مواد بر طول عمر چرخه‌ای و چگالی انرژی کاتد بررسی گردید و باهم مقایسه شد.
در تولید صنعتی کاتدهای باتری لیتیوم یون، از فرایندهای دما بالا جهت ساخت مواد کاتدی استفاده می‌شود. با هدف اینکه کاتد به صورت یک آلیاژ همگن و یک‌دست تشکیل شود . امــا مشکل بزرگی که در این فرایند وجود دارد این است که اتم‌ها و مولکول‌ها، ساختارهای کریستالی با توده های ریز و درشت و بدون نظم را تشکیل می دهند!!
این پدیده جابه‌جایی اتم های لیتیوم را کند و حتی متوقف می‌کند. در نتیجه این موضوع باعث کاهش توان خروجی و چگالی انرژی باتری می‌شود. حرکت اجباری یون‌های لیتیوم در مسیری ناهموار از میان توده های مولکولی به مرور زمان باعث تخریب ساختمان کاتد و کاهش عمر چرخه‌ای باتری می‌شود. وجود عنصر تالیم باعث بهبود فوق‌العاده‌ای در ساختار کریستالوگرافی کاتد در مقیاس میکروسکوپیک می‌شود.
تالیم و تنگستن ؛ پایان ماجرا
عنصرتالیم وهمچنین تنگستن باعث می‌شوند کریستال‌ها، ساختاری شعاعی و مرکزگرا و منظم به خود بگیرند و مسیرهایی مناسب برای حرکت اتم‌های لیتیوم تشکیل شود. در این دستاورد هوشمندانه :
- یون لیتیوم به عنوان عنصر کلیدی خیلی آسانتر جابه‌جا می‌شود.
- از مقاومت داخلی باتری کاسته می‌شود.
- توان خروجی را افزایش می‌دهد.
- از همه مهم‌تر، با افزایش انسجام کریستالهای سازنده، میزان تخریب ساختمان کاتد بسیار کمتر خواهد شد.
این راهکار، عمرطولانی‌تر باتری را به دنبال دارد. بر طبق نتایج به دست آمده، باتری کاتد تقویت شده با تالیم پس از طی ۲۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ با عمق تخلیه کامل(DOD)، بیش از ٪90 از ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده است.
تاثیر ملموس با یک مثال
یک خودرو سواری معمولی سالانه به طور میانگین 20000کیلومتر پیمایش دارد و خودروهای برقی کنونی با یک بار شارژ کامل بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتر مسافت را طی می‌کنند به این ترتیب خودرو‌ی الکتریکی در سال ۵۰ مرتبه شارژ و دشارژ می‌شود. که در صورت استفاده از عنصر تالیوم در کاتد باتری خودروهای الکتریکی، طول عمر باتری خودرو به 40 سال افزایش پیدا خواهد کرد.
علاوه بر این، با افزایش عمر باتری‌ها، میزان مصرف مواد اولیه کمیاب و گران‌قیمت مانند لیتیوم و کبالت کاهش می یابد و به کاهش قیمت تمام شده باتری‌ها نیز منجر می‌شود.
