باتری‌های لیتیوم فلزی جدید شعاع حرکتی خودروهای برقی آینده را افزایش خواهند داد
برای اینکه هواپیماهای برقی بتوانند واقعا از زمین بلند شوند و خودروهای الکتریکی مسافت‌های طولانی‌تری را بین شارژ طی کنند، به باتری‌هایی نیاز داریم که بدون داشتن وزن سنگین، انرژی بسیار بیشتری در خود ذخیره می‌کنند. به‌گزارش نیواطلس، تیمی در آلمان هم‌اکنون باتری لیتیوم فلزی جدیدی با تراکم انرژی بسیار بیشتر از معیار درخورتوجه ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم و توانایی حفظ عملکرد خود طی صدها چرخه کاری معرفی کرده است.
باتری‌های لیتیوم‌یونی امروزه میتوانند دنیای مدرن را از خودروهای برقی گرفته تا تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های لپ‌تاپ در حال کار نگه دارند؛ اما دانشمندان معتقدند که پتانسیل‌های زیادی را می‌توان از‌طریق انجام تغییراتی در معماری باتری‌ها شکوفا کرد. یکی از احتمالات امیدوارکننده این است که گرافیت به‌کاررفته در یکی از الکترودهای باتری با فلز لیتیوم خالص جایگزین شود. لیتیوم خالص ماده‌ای است که می‌تواند تا ۱۰ برابر انرژی را بیشتر نگه دارد.
به‌همین‌دلیل، برخی از محققان باتری از فلز لیتیوم به‌عنوان «ماده رؤیایی» استقبال می‌کنند و ممکن است به ما کمک کند تا یکی از موانع مهم در ذخیره انرژی را برطرف کنیم؛ اما مسائل مربوط به ثبات و پایایی تاکنون این فناوری را دچار مشکل کرده است. بیشتر این مشکلات مربوط به واکنش‌های نامطلوب بین محلول الکترولیت (حامل یون‌های لیتیوم) و دو الکترود باتری (کاتد و آند) است.
در میان بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی که برای حل این مشکل کار می‌کنند، تیمی در مؤسسه فناوری کارلسروهه و مؤسسه هلمولتز اولم (HIU) وجود دارند. این تیم طرحی ارائه داده‌اند که تا حد زیادی مشکل یادشده را برطرف می‌کند. محققان کارشان را با کاتد کم کبالت و غنی از نیکل (NCM88) و الکترولیت آلی موجود در بازار به نام LP30 آغاز کردند. درحالی‌که کاتد به تراکم انرژی بالایی دست یافت، خیلی زود ناپایداری به‌وجود آمد و با افزایش چرخه‌های کاری باتری، ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی آن کاهش یافت.
پروفسور استفانو پاسرینی، مدیر HIU، در این زمینه توضیح می‌دهد:
در الکترولیت LP30، ذرات روی کاتد ترک می‌خورند. در داخل این ترک‌ها، الکترولیت واکنش نشان می‌دهد و به ساختار آسیب می‌رساند. علاوه‌بر‌این، لایه ضخیم خزه‌مانندی حاوی لیتیوم روی آند ایجاد می‌شود.
بنابراین، تیم تحقیقاتی الکترولیت LP30 را با الکترولیت جدیدی جایگزین کردند و این باعث بهبود جدی عملکرد شد. این ماده که به‌عنوان الکترولیت مایع یونی غیرفرّار و غیرقابل‌اشتعال و دوآنیونی (ILE) توصیف می‌شود، تا حد زیادی از عیوب ساختاری روی کاتد جلوگیری می‌کند و باتری را از واکنش‌های کشنده الکتروشیمیایی نجات می‌دهد.
دکتر گوک تائه کیم می‌گوید:
با کمک الکترولیت ILE، تغییرات ساختاری روی کاتد غنی از نیکل می‌تواند به میزان درخورتوجهی کاهش یابد.
نتایج این کار، به‌درستی «درخورتوجه» توصیف شده است. تراکم انرژی باتری لیتیوم فلزی با این معماری ۵۶۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم بود. به‌عنوان مثال، کنسرسیوم‌های تحقیقاتی بودجه زیادی دریافت کرده‌اند تا از آستانه تراکم انرژی ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم برای تأمین نیرو در خودروهای برقی نسل آینده عبور کنند؛ درحالی‌که بهترین باتری‌های لیتیوم‌یونی امروزی در این سطح تراکم انرژی ۲۵۰ تا ۳۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم دارند.
در اوایل سال جاری، باتری لیتیوم فلزی با تراکم انرژی ۳۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم معرفی شد که ۷۶ درصد ظرفیت خود را در طول ۶۰۰ چرخه حفظ کرد. از نظر طول عمر، طراحی جدید باتری لیتیوم فلزی نیز به‌طرز چشمگیری موفق عمل می‌کند. کار این باتری با ظرفیت اولیه ذخیره‌سازی ۲۱۴ میلی‌آمپر‌ساعت بر گرم در مواد کاتد شروع شد و ۸۸ درصد از آن را در طول ۱،۰۰۰ چرخه کاری حفظ کرد.
مقاله‌های مرتبط:CATL از ساخت باتری حالت جامد با تراکم انرژی ۳۵۰ Wh/kg خبر دادآیا باتری‌های لیتیوم‌یون ولوو بیشترین کارایی را فراهم می‌کنند؟
یکی دیگر از زمینه‌هایی که باتری لیتیوم فلزی جدید بسیار کارآمد نشان داد، کارآیی کولمبیک آن است که به نحوه انتقال یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد مربوط می‌شود. شارژ ۱۰۰ یون لیتیوم و پس‌گرفتن ۱۰۰ یون پس از تخلیه، به‌معنی بازده کولمبیک کامل خواهد بود و به‌گفته یی کوی، استاد علوم و مهندسی مواد و علوم فوتون در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC، باتری‌های تجاری به بازدهی حداقل ۹۹/۹ درصدی برای کاربردپذیری نیاز دارند. سازندگان باتری لیتیوم فلزی جدید کارایی کولمبیک متوسط آن را ۹۹/۹۴ درصد گزارش کرده‌اند.
کارهای زیادی برای تبدیل این نتایج امیدوارکننده در سلول‌های مقیاس آزمایشگاهی به شرایط واقعی انجام خواهد شد؛ اما باتری پایداری که بتواند تراکم انرژی بسیار زیادی ارائه دهد، می‌تواند قواعد بازی را در زمینه حمل‌ونقل الکتریکی تغییر دهد. به‌عنوان مثال، هواپیماهای برقی به‌دلیل تراکم انرژی باتری‌های امروزی به‌شدت محدود شده‌اند؛ بنابراین، میتوانند مسافت‌های نسبتا کوتاهی را طی کنند. شعاع حرکتی خودروهای برقی را می‌توان با گسترش زیرساخت شارژ تا حدودی برطرف کرد؛ اما نوع نسبت زیاد انرژی به وزن در این باتری می‌تواند به آن‌ها به طی مسافت‌های فوق‌العاده زیاد کمک کند و کارهای زیادی برای فروکش‌کردن اضطراب خریداران بالقوه درباره شعاع حرکتی خودروهای برقی انجام دهد.
محققان مؤسسه فناوری کارلسروهه و هلمولتز اولم باتری لیتیوم فلزی جدیدی در مقیاس آزمایشگاهی تولید کرده‌اند که تراکم انرژی درخورتوجه آن می‌تواند باعث افزایش شعاع حرکتی خودروهای برقی آینده شود.