طراحی هوشمندانه برای باتریهای حالت جامد با نانولوله‌های کربنی
چالش‌های باتری حالت جامد
- بر خلاف باتریهای حالت جامد، باتریهای لیتیوم یون باتری‌هایی هستند که از یک مایع یا یک ژل پلیمری به عنوان ماده الکترولیت بین دو الکترود باتری استفاده می‌شود. الکترولیت اجازه می‌دهد تا یون‌های لیتیوم هنگام شارژ و دشارژ به سمت آند و کاتد حرکت کنند . در حالی که الکترولیت جامد می‌تواند ایمن‌تر از الکترولیت‌های مایع باشد چرا که احتمال اتصال بین آند و کاتد به شدت کاهش یافته است.
- یکی از بزرگ‌ترین مشکلات در الکترولیت حالت جامد این است که وقتی باتری شارژ می‌شود, اتم‌ها در سمت آند لیتیوم تجمع می‌یابند و باعث تغییر شکل آن می‌شوند. زمانی که باتری در حالت دشارژ قرار گیرد، فلز لیتیوم دوباره تغییر شکل می‌دهد. این تغییرات به صورت پی در پی تکرار شده و علاوه بر کاهش اتصال فلز به الکترولیت جامد، شکستگی های میکروسکوپی در داخل الکترولیت اتفاق خواهد افتاد.
- مشکل دیگر در باتری‌حالت جامد این است که الکترولیت این باتری‌ها به طور شیمیایی پایدار نیستند و این در حالی است که الکترولیت جامد در تماس با فلز لیتیوم (فلزی بسیار فعال) قرار دارند و در طول زمان تجزیه می‌شوند.
دانشگاه MIT در پی حل مشکلات
بیشتر تلاش محققان بر روی طراحی مواد الکترولیت جامد متمرکز شده‌است . به طوری که کاملاً در برابر فلز لیتیوم پایدار باشند. محققان دانشگاه MIT یک طرح خلاقانه و جدیدی را به کار گرفتند که از دو نوع دیگر از جامدات با عنوان MIEC (mixed ionic-electronic conductors) و ELI (electron and Li-ion insulators) استفاده می‌کند که کاملاً در تماس با فلز لیتیم پایدار هستند. نانولوله های کربنی یکی از انواع دسته‌ی MIEC هستند که این تیم تحقیقاتی بر روی آن کار کرده است.
نانولوله‌های کربنی
محققان یک ساختار سه‌بعدی در مقیاس نانو را به شکل مجموعه‌ای از لوله‌های MIEC شش‌ضلعی ایجاد کردند. این لوله‌ها تا حدی با فلز لیتیوم جامد پر شده تا یک الکترود باتری تشکیل دهند. به دلیل وجود فضای خالی درون هر لوله وقتی که لیتیوم در فرآیند شارژ افزایش حجم پیدا کند، به فضای خالی درون لوله‌ها جریان می‌یابد و مانند یک مایع حرکت خواهد کرد.
در این فرایند، علاوه بر اینکه لیتیوم ساختار بلوری جامد خود را حفظ می‌کند، فشار ناشی از انبساط نیز کاهش یافته و ابعاد خارجی نانولوله‌های MIEC بدون تغییر باقی خواهد ماند. ماده‌ی ELI به عنوان یک چسب مکانیکی بین دیواره‌ی نانولوله‌های MIEC و لایه الکترولیت جامد عمل می‌کند.
در این ساختار لیتیوم هرگز تماس الکتریکی با مواد را از دست نمی‌دهد. بنابراین, کل باتری حالت جامد می‌تواند به صورت مکانیکی و به لحاظ شیمیایی پایدار بماند. زیرا دیواره‌های این ساختار از پیوندهای شیمیایی پایدار ساخته شده‌اند. فیلم زیر نحوه‌ی حرکت لیتیوم درون نانولوله‌های کربنی را نشان می‌دهد.
این تحقیق می‌تواند به آندهای امن منجر شود. علاوه بر آن این نوع از آندها فقط یک چهارم وزن آندهای معمول با همان میزان ظرفیت ذخیره‌سازی را دارند . به طور مثال می‌تواند تلفن‌های همراه را با یک بار شارژ کند اما تا سه روز مورد استفاده قرار داد. لازم به ذکر است که این فرایند برای فلز سدیم نیز مورد استفاده است.
منبع:Li metal deposition and stripping in a solid-state battery via Coble creep
تاریخ انتشار: فوریه 2020
ویراستار: حسین جعفری پور
