باتری حالت جامد، نسل بعدی باتری‌های خودرو‌ الکتریکی

باتری حالت جامد، نسل بعدی باتری‌های خودرو‌ الکتریکی

باتری، یکی از مهم‌ ترین تکنولوژی های امروزی است که در وسایل مختلف کاربرد دارد و استفاده از آن به عنوان منبع تامین انرژی، با سرعت در حال گسترش است. باتری در پیشرفت و گسترش ماشین‌های الکتریکی نقش بسزایی ایفا می‌کند و لزوم بهبود تکنولوژی‌های مورد استفاده در ساخت باتری‌های با انرژی و ایمنی بیشتر را نشان می‌دهد.باتری‌ حالت جامد لیتیوم یون یکی از گزینه‌های امیدوارکننده در نسل بعدی باتری‌های ماشین‌الکتریکی و جایگزین مناسب باتری لیتیوم یون محسوب می‌شوند.

الکترولیت‌های غیر قابل اشتعال جامد جایگزین الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال شدند. از این رو باتری‌های حالت جامدی مانند لیتیوم فلز، لیتیوم هوا و لیتیوم سولفور با چگالی انرژی بالا و ایمنی زیاد  هنوز هم موانعی بر سر راه تجاری شدن این نوع باتری‌ها وجود دارند.

در‌این نوع باتری‌ها، به دلیل وجود الکترولیت جامد، برهمکنشی بین الکترود و الکترولیت باتری به وجود می‌آید که پیامدهای زیر را دارد .

1. تولید تنش های مکانیکی در ناحیه برهمکنش شده
2. اثرمنفی بر روی خواصی همچون چگالی ظرفیت باتری در چرخه‌های شارژ و دشارژ پی‌در‌پی

بنابراین طراحی و انتخاب درست مواد و ساختار الکترولیت در باتری حالت جامد، حائز اهمیت می‌باشد.

طرح مسئله و راه حل

در باتری لیتیوم یونی، به دلیل وجود مایع الکترولیت ، تنش‌های موجود در ساختار اثرچندانی بر عملکرد باتری نگذاشته است. اما در باتری‌های حالت جامد طی فرآیند ساخت و زمان کارکرد باتری، تنش‌های دینامیکی در ساختار پدید می‌آید . در نتیجه باعث تغییرات حجمی باتری و تشکیل مواد بین فازی می‌شود.

برای حل این مشکل و همچنین رسیدن به چگالی انرژی قابل مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی، قسمت جدا‌کننده در باتری باید از فیلم‌های متراکم با ضخامت میکرونی و سازگار با سلول داشته باشیم. مواد اکسیدی، پایداری الکتروشیمیایی و مقاومت بالا در برابر شکست دارند. همین‌طور ساخت فیلم‌های متراکم از این مواد نیازمند دما، فشار و شرایط خاص تولید است .  امــا مواد کریستالی سولفیدی، استحکام شکست کمتری دارند و دمای ذوب سطحی آنان نیز کم تر است(دمای تف جوشی) . در نتیجه به راحتی متراکم شده و از نظر مکانیکی از اکسید‌ها سازگار‌تر به حساب می‌آیند. ساخت فیلم با مواد سولفیدی پیامد زیر را دارد :

1. بهبود سطح تماس الکترود و الکترولیت
2. افزایش هدایت یونی به ویژه در کاتد‌های کامپوزیتی در باتری

پارامترهای مهم باتری حالت جامد

برای طراحی یک الکترولیت جامد کارآمد،کارا و مناسب باید پارامتر‌های مهم زیر عملکرد قابل قبولی از خود نشان دهند . مانند: رسانندگی، استحکام شکست و ضریب الاستیکی .

سخن آخر

باتری‌های لیتیوم یون مورد استفاده در خودرو‌های الکتریکی، برای بهینه نگه داشتن عملکرد باتری در خودرو و سلامت باتری ، همواره دچار چالش هستند . این چالش‌ها در بحث باتری‌های حالت جامد نیز مطرح هستند. به علاوه هسته زایی، انتشار رشته‌های لیتیوم و آرایش جاهای خالی در باتری حالت جامد، اثرات واضحی بر عملکرد باتری خواهد گذاشت .  به طوری که باعث اتصال کوتاه داخل سلول باتری شده و باعث افت ناگهانی امپدانس می شوند. شناخت این چالش‌ها و کنترل آنها در آینده می‌تواند باعث افزایش راندمان و کارآیی باتری‌های حالت جامد شود.

سرعت رشد و پیشرفت باتری‌های حالت جامد مخصوصا در صنعت خودرو‌های الکتریکی، باعث فراگیرتر شدن این نوع باتری‎ها می شود .  با برطرف نمودن این چالش‌ها ، رسیدن به چگالی انرژی‌های 900 تا 1000 کیلووات ساعت بر کیلوگرم و کارکرد در دمای کمتر می‌توان استفاده از آن را در خودروها در آینده خیلی نزدیک محقق ساخت.

منبع: Transitioning solid-state batteries from lab to market: Linking electro-chemo-mechanics with practical considerations

تاریخ انتشار: مرداد 1400