الکترولیت‌های گازی مایع شده برای باتری‌های لیتیوم یون
تکامل الکترولیت‌های گازی مایع شده که برای اولین بار در سال 2017 معرفی شد می تواند راه را برای یک پیشرفت تاثیرگذار و بسیار مطلوب در باتری‌های قابل شارژ یعنی جایگزینی آند گرافیتی با آند فلزی لیتیومی هموار سازد.این پژوهش که در یکم جولای سال 2019 میلادی در ژورنال Joule انتشار یافت، بر اساس نوآوری های گزارش شده در ژورنال Science در سال 2017 توسط همان گروه تحقیقاتی در دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا می باشد.
یافتن راه های مقرون به صرفه برای جایگزینی آند گرافیتی در باتری‌های لیتیوم یونی تجاری بسیار مورد توجه است زیرا می‌تواند منجر به دستیابی به باتری‌های سبکتر با قابلیت ذخیره شارژ بیشتر از طریق افزایش 50 درصدی چگالی انرژی در سطح سلول گردد. چگالی انرژی افزایش یافته ناشی از ترکیب عواملی همچون ظرفیت ویژه بالای آندهای فلزی لیتیومی، پتانسیل الکتروشیمیایی پایین و وزن سبک (دانسیته کم) خواهد بود.
شرلی منگ استاد مهندسی نانو در دانشگاه سن دیگو و نویسنده‌ی مسئول مقاله جدید در ژورنال Joule بیان نمود: “معطوف شدن به سمت آند های فلزی لیتیومی، به طور قابل ملاحظه‌ای طیف وسایل نقلیه الکتریکی را گسترش و هزینه باتری‌های بکار رفته در ذخیره ی شبکه ای را کاهش خواهد داد.”
با این حال، رخداد این تحول با چالش های فنی مواجه است. مشکل اصلی این است که آندهای فلزی لیتیوم با الکترولیت‌های رایج سازگار نیستند. دو مشکل طولانی مدت یعنی بازده چرخه ای کم و رشد دندریت‌ها در هنگام جفت شدن این آندها با الکترولیت‌های رایج ظاهر می شوند. بنابراین، راه حل منگ و همکارانش معطوف شدن به سمت یک الکترولیت سازگارتر به نام «الکترولیت گازی مایع شده» بود.
یکی از خواص وسوسه انگیز این الکترولیت‌های گازی مایع شده این است که هم می توانند در دمای اتاق و هم در دماهای شدیدا پایین تا -60 درجه ی سانتیگراد کار کنند. این الکترولیت‌ها از حلال های گازی مایع شده (گازهایی که تحت فشار ملایم به صورت مایع هستند) که مقاومت به انجماد بسیار بالاتری از الکترولیت‌های مایع استاندارد دارند تهیه می شوند. به منظور بهبود کارایی، آن‌ها قادر به طراحی الکترولیت‌های گازی مایع شده با توجه به معیارهای کلیدی برای آندهای فلزی لیتیومی هم در دمای اتاق و هم در -60 درجه بودند.
در تست های نیم سلول فلزی لیتیومی، این گروه گزارش می‌کند که بازده چرخه ای آندها (بازده کولمبی)، 99.6 درصد برای 500 چرخه شارژ در دمای اتاق بوده است. این مقدار بالاتر از بازده چرخه ای 85 درصد برای آندهای فلزی لیتیومی با یک الکترولیت مایع معمولی است.
این گروه نشان داد که بازده چرخه ای آند فلزی لیتیومی در منفی 60 درجه،98.4 درصد است. در مقابل، اکثر الکترولیت‌های رایج در کمتر از منفی 20 درجه نمی توانند کار کنند. تیم های شبیه سازی و مشخصه یابی دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا که در آزمایشگاه ذخیره و تبدیل انرژی به سرپرستی شرلی منگ بسیار پیشرفت کرده‌اند، به محققان برای توضیح چرایی کارکرد بهتر آندهای فلزی لیتیومی با الکترولیت‌های گازی مایع شده کمک می کنند. حداقل بخشی از پاسخ باید به چگونگی رسوب ذرات لیتیوم روی سطح فلزی آند مرتبط باشد.
این گروه نشان داد که بازده چرخه ای آند فلزی لیتیومی در منفی 60 درجه،98.4 درصد است. در مقابل، اکثر الکترولیت‌های رایج در کمتر از منفی 20 درجه نمی توانند کار کنند. تیم های شبیه سازی و مشخصه یابی دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا که در آزمایشگاه ذخیره و تبدیل انرژی به سرپرستی شرلی منگ بسیار پیشرفت کرده‌اند، به محققان برای توضیح چرایی کارکرد بهتر آندهای فلزی لیتیومی با الکترولیت‌های گازی مایع شده کمک می کنند. حداقل بخشی از پاسخ باید به چگونگی رسوب ذرات لیتیوم روی سطح فلزی آند مرتبط باشد.
این محققان، رسوب هموار و فشرده ذرات لیتیوم روی آندهای فلزی لیتیومی وقتی که الکترولیت‌های گازی مایع شده استفاده شوند را گزارش کردند. در مقابل، هنگامی که الکترولیت‌های رایج استفاده شوند، دندریت‌های سوزنی شکل روی آند فلزی لیتیومی شکل می گیرند. این دندیریت‌ها می توانند بازده را کاهش دهند، اتصال کوتاه ایجاد نموده و منجر به تهدیدات جدی ایمنی شوند.
یک روش برای سنجش چگونگی رسوب ذرات لیتیوم روی سطوح آند، اندازه گیری تخلخل است. تخلخل کمتر بهتر است. این تیم تحقیقاتی در ژورنال Joule، مقدار تخلخل رسوب ذرات لیتیوم روی سطح آند با استفاده از الکترولیت‌های گازی مایع شده در دمای اتاق را 0.9 درصد گزارش می کند. تخلخل در حضور الکترولیت‌های رایج به 16.8 درصد افزایش میابد.
منگ افزود: “به عنوان بخشی از جامعه تحقیقاتی باتری، من مطمئن هستم که ما در حال توسعه الکترولیت‌هایی هستیم که برای آندهای فلزی لیتیومی احتیاج داریم. من امیدوار هستم این تحقیق الهام بخش گروه های پژوهشی بیشتری برای توجه جدی به الکترولیت‌های گازی مایع شده باشد.”
منبع خبر:www.sciencedaily.com
تاریخ انتشار:1 جولای 2019
مترجم: محسن کریم پور
ویراستار:حسین جعفری پور
