مروری بر نسل آینده باتری‌ها(قسمت اول: کاتدهای ولتاژ بالا)

مروری بر باتری‌های نسل آینده (قسمت اول: کاتدهای ولتاژ بالا)

در حوزه‌ی باتری‌های لیتیوم یون شاهد پیشرفت‌ها و خلاقیت‌های زیادی هستیم . این تحقیقات موجب ظهور باتری‌های سطح بالا شده که در اکثر مقالات تحقیقاتی با عنوان “باتری‌های نسل آینده” شناخته می‌شوند. در این مقاله قصد داریم تا مروری بر این باتری‌ها داشته باشیم و با نحوه‌ی عملکرد، کاربردها، مزایا و معایب آنها آشنا شویم. در ادامه لیستی از این‌گونه باتری ها آورده شده است که در این مقاله به مورد اول پرداخته می‌شود:

• باتری‌های بر پایه‌ی کاتدهای ولتاژ بالا(high-voltage cathodes)
• باتری‌های بر پایه‌ی الکترود فلوراید فلز (metal fluoride electrodes)
• باتری‌های بر پایه‌ی الکترود مواد chalcogen
• باتری‌های بر پایه‌ی آند فلزی لیتیوم(Li metal anodes)
• باتری‌های بر پایه‌ی الکترودهای ظرفیت بالا(high-capacity anodes)

باتری‌های بر پایه‌ی کاتدهای ولتاژ بالا(high-voltage cathodes):

ولتاژ یکی از موثرترین پارامترها در افزایش انرژی یک باتری است که با افزایش آن، انرژی باتری افزایش خواهد یافت. در سال‌های اخیر توجه به موادی که ولتاژ بالایی را برای باتری به ارمغان آورند، افزایش یافته است. این مواد در کاتد باتری‌ها استفاده می‌شوند.

شکل زیر دو نمودار جهت مقایسه‌ی مواد ولتاژ بالا و مواد با ولتاژ معمولی نشان داده شده است. نمودار سمت راست مواد را با جزئیات بیشتر نشان داده اما نمودار سمت چپ به صورت کلی این مقایسه را انجام داده است.

در کل بالا کاتد‌ها ولتاژ بالا مشخص شده و نام اختصاری آنها مانند LCP، LNSF و LNP آورده شده است. در نمودار سمت راست کاتد‌های هم نوع، با رنگ یکسان نشان داده شده است. مثلا دو ساختار LiNiSO4F و LiCoSO4F به رنگ زرد نمایش داده شده است و مشاهده می‌شود که فقط در فلزشان تفاوت دارند.

معایب باتری‌های بر پایه‌ی کاتد ولتاژ بالا:

آن‌ها علی‌رغم مزیت‌هایشان، معایبی نیز دارند که باعث شده است دانشمندان جهت رفع این مشکلات تحقیقات زیادی انجام دهند. از این جمله‌ی این مشکلات، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

اکسید شدن الکترولیت، و ایجاد لایه‌ای با ضخامت بالا:

همان‌طور که می‌دانیم الکترولیت‌ها، یک محدوده‌ی مجاز جهت عملکرد صحیح دارند که با عبور از آن ناحیه‌ی ولتاژی، ساختار آنها از بین خواهد رفت. در کاتد‌های ولتاژ بالا به دلیل بالا بودن ولتاژ ذاتی، الکترولیت اکسید شده و یک لایه‌ی ضخیمی از مواد اکسیدی بر روی کاتد تشکل خواهد شد. این لایه‌ی ضخیم باعث خواهد شد که عملکرد باتری به شدت تحت تاثیر قرار گیرد. لازم به ذکر است که این لایه با نام CEI (cathode electrolyte interface)شناخته می‌شود و همانند SEI که در سمت آند است، از گونه‌های مختلفی تشکیل شده است. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان داده و ملاحظه می‌کنیم که مواد اکسیدی چه ساختاری دارند.

حل‌شدگی کاتد در الکترولیت و انتقال به سمت آند:

یکی دیگر از مشکلات، حل شدگی این مواد داخل الکترولیت است که ظرفیت را کاهش خواهد داد و علاوه بر آن با نفوذ ذرات حل شده به سمت آند، لایه‌ای بر روی آند تشکلیل می‌شود و مانع از عبور یون‌ها خواهد شد که به این ترتیب عملکرد باتری مختل خواهد شد. شکل زیر این واقعیت را به تصویر کشیده است:

در شکل بالا  فلز واسطه درون الکترولیت حل شده و در سمت اند ذرات ان ته‌نشین گردیده است. همچنین این شکل بیان می‌دارد که در این کاتد‌ها فلوراید فلز واسطه درون کاتد تشکیل خواهد شد که از ماهیت کاتد ولتاژ بالا کاسته می‌شود.

تغییر ساختار و حجم :

یکی دیگر از مشکلات به وجود آمده در این باتری‌ها، تغییر ساختار کریستالی و تغیر حجم ماده‌ی کاتدی در هنگام ورود و خروج لیتیوم است. چرا که با شارژ و باتری:

1. لیتیوم از کاتد خارج شده و موجب تنش درون ساختار خواهد شد
2. سپس و با دشارژ باتری، لیتیوم وارد کاتد می شود که احتمال تخریب کاتد بالا خواهد رفت.

شکل زیر این دو اتفاق را نشان داده است:

به شکل بالا سمت راست نمودار توجه کنید . هر چه ولتاژ باتری افزایش یابد، چگالی شکاف‌ها بیشتر خواهد شد و این را نیز می‌تواند انتظار داشت چرا که با افزایش ولتاژ کاتد، لیتیوم‌های بیشتری از ساختار خارج شده و تخریب بیشتر اتفاق خواهد افتاد. شکل سمت چپ نیز تغییر ساختار کریستالی را نشان داده است.

افت ولتاژ:

افت ولتاژ در باتری‌های با کاتدهای ولتاژ بالا مشاهده می‌شود و دلایل مختلفی دارد که معایب ذکر شده در بالا می‌تواند از جمله‌ی این دلایل باشد. شکل زیر این مشکل را نشان داده است.

پیشرفت‌های اخیر برای برطرف‌کردن این مشکلات:

ابتدا روش‌ها و ایده‌های خلاقانه را که دانشمندان در سال‌های اخیر برای برطرف کردن مشکلات این نوع از کاتدها به کار بردند، بررسی خواهیم کرد. در ادامه به صورت خلاصه این روش‌ها را بیان خواهیم کرد و از بسط دادن آن اجتناب می‌شود.

در برخی از تحقیقات اضافه کردن یک یا چند ماده به ساختار اولیه،  تاثیر شگفت انگیزی در نتیجه‌ی کار داشته است. برای مثال : دانشمندان به کاتد LCO مواد تیتانیم، منیزیوم و آلومینیوم به عنوان “TMA” اضافه کردند . باعت شد که این کاتد در ولتاژ 4.6 ولت پایداری بی‌نظیری به دست آید که شکل زیر به صورت خلاصه این پایداری را نشان می‌دهد.

یکی دیگر از راه‌های برطرف کردن مشکلات، مهندسی ریزساختارهای کریستالی (grain boundary) و سطح است . در شکل زیر محققان کاتد NMC را با دو روش ذکر شده مورد بررسی قرار دادند که نتایج آن در شکل آمده است. این روش باعث جلوگیری از رشد ترک‌های کاتد شده و پایداری آن را افزایش داده است. لازم به ذکر است که این کاتد تا ولتاژ 4.7 ولت مورد آزمایش قرار گرفته است.

راه دیگر برای برطرف کردن معایب کاتدهای ولتاژ بالا، استفاده از بایندر و الکترولیت مناسب است که به وضوح مشخص است که انتخاب صحیح و هوشمندانه‌ی هر یک از دو مورد ذکر شده، تاثیر بسیار بالایی در عملکرد این گونه باتری‌ها خواهد داشت. شکل زیر هر دو حالت بایندر و الکترولیت را نشان داده است.

• در شکل سمت راست، به جای استفاده از بایندر معمولی PVdF، از بایندر FPI استفاده شده است .
• در شکل سمت چپ، تاثیر الکترولیت را بر این‌گونه از باتری‌ها مشاهده می‌کنیم.

لازم به ذکر است که الکترولیت نقش به سزایی در باتری‌های ولتاژ بالا دارد چرا که با انتخاب صحیح، از اکسید شدن آن جلوگیری کنیم.

خلاصه و نتیجه گیری:

در این مقاله کاتد‌های ولتاژ بالا مورد بررسی قرار گرفت و دیدیم که این مواد از چه ساختاری تشکیل شده‌اند و نسبت به کاتد‌های معمولی چه جایگاهی از لحاظ ولتاژ و ظرفیت دارند. در ادامه مشکلات این کاتد‌ها بررسی گردید و هر یک از این مشکلات به صورت خلاصه توضیح داده شد و در پایان تحقیقات اخیری که در این حوزه صورت گرفته بود، بررسی شد. در مقاله‌های بعدی، دیگر باتری‌های نسل جدید بررسی می‌شوند.

تاریخ انتشار: تیر 1399

منبع:  Guidelines and trends for next-generation rechargeable lithium and lithium-ion batteries