Newswise – ویژگی های یک باتری خوب چیست؟ ظرفیت داره؟ با چه سرعتی شارژ می شود؟ یا قیمتش؟ کنستانتین کراوچیک، محقق Empa، می‌گوید پاسخ به محل استفاده از باتری بستگی دارد. در گروه مواد معدنی کاربردی، به رهبری ماکسیم کووالنکو و بخشی از آزمایشگاه فیلم‌های نازک و فتوولتائیک Empa، دانشمندان در حال توسعه مواد جدیدی هستند تا باتری‌های فردا را قوی‌تر و سریع‌تر یا مقرون‌به‌صرفه‌تر کنند.
دو حوزه کاربردی باتری‌های ذخیره‌سازی برای انتقال به انرژی‌های تجدیدپذیر حیاتی هستند. یکی حرکت الکتریکی است. دیگری به اصطلاح ذخیره سازی ثابت است که برق را از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید ذخیره می کند. باتری های ماشین های الکتریکی باید فشرده و سبک باشند، ظرفیت زیادی داشته باشند و در سریع ترین زمان ممکن شارژ شوند. باتری های ثابت ممکن است فضای بیشتری را اشغال کنند، اما تنها زمانی مقرون به صرفه هستند که تا حد امکان ارزان باشند.
کار ساده ای وجود ندارد
اساساً هر باتری از یک کاتد، یک آند و یک الکترولیت تشکیل شده است. در باتری‌های لیتیوم یونی معمولی، آند از گرافیت ساخته می‌شود و ماده کاتد، اکسید مخلوطی از لیتیوم و سایر فلزات، مانند اکسید لیتیوم کبالت (III) است. بسته به اینکه سلول در حال شارژ یا تخلیه باشد، از الکترولیت ها به عنوان فرستنده یون های لیتیوم از کاتد به آند و بالعکس استفاده می شود.
هنگامی که صحبت از باتری ها برای حرکت الکتریکی می شود، چگالی انرژی بالا مورد نیاز است. Krawczyk می‌گوید: «با یک آند ساخته شده از لیتیوم فلزی خالص به جای گرافیت، می‌توانیم چندین برابر انرژی بیشتری را در سلولی با همان اندازه ذخیره کنیم. با این حال، هنگامی که سلول شارژ و تخلیه می شود، لیتیوم حذف و به طور یکنواخت رسوب نمی کند. این منجر به تشکیل به اصطلاح دندریت می شود: ساختارهای شاخه ای از فلز لیتیوم که می تواند باتری را اتصال کوتاه کند.
یکی از راه های کاهش رشد دندریت ها استفاده از الکترولیت های جامد است. در باتری های به اصطلاح حالت جامد، به جای مایع، یک لایه جامد از مواد، یون های لیتیوم را از کاتد به آند و عقب هدایت می کند.
تقاضا برای مواد الکترولیت زیاد است. Krawczyk توضیح می دهد: “مردم در مورد شارژ باتری ها در ده تا پانزده دقیقه صحبت می کنند.” این به چگالی جریان بسیار بالایی نیاز دارد که در آن دندریت‌ها حتی در باتری‌های حالت جامد نیز تشکیل می‌شوند. چگالی جریان نسبت جریان به ناحیه ای است که از آن عبور می کند. مشکل دیگر این است که حذف و رسوب ناهموار لیتیوم باعث ایجاد حفره هایی در سطح مشترک بین الکترود و الکترولیت جامد می شود که باعث کاهش سطح تماس موجود و افزایش بیشتر چگالی جریان می شود.
یک ماده، دو لایه
به عنوان بخشی از برنامه تأمین مالی Fraunhofer ICON (همکاری و شبکه بین المللی)، Krawczyk و سایر محققان Empa یک الکترولیت جامد امیدوارکننده را توسعه داده اند. این ماده، لیتیوم لانتانیم اکسید زیرکونیوم یا به اختصار LLZO، دارای رسانایی یونی بالا و پایداری شیمیایی است – خواص ایده آل برای استفاده در باتری ها.
Krawczyk می گوید: ما یک غشای دو لایه LLZO ساختیم که از یک لایه متراکم و یک لایه متخلخل تشکیل شده است. اگر لیتیوم در منافذ ذخیره شود، سطح تماس بسیار زیادی بین لیتیوم و الکترولیت ایجاد می شود و چگالی جریان کم می ماند. لایه متراکم تضمین می کند که هیچ دندریتی نمی تواند به الکترود دیگر رشد کند و باعث اتصال کوتاه شود. محققان مقرون به صرفه بودن را نیز در نظر گرفته‌اند: آنها یک فرآیند ساده، ارزان و مقیاس‌پذیر را برای تولید غشاهای دولایه توسعه داده‌اند.
آهن ارزان به جای کبالت گران قیمت
محققان در پروژه‌ای که شامل ذخیره‌سازی ثابت انرژی تجدیدپذیر است، رویکرد بسیار متفاوتی در پیش گرفتند. Krawczyk توضیح می دهد: «مهم ترین معیار برای ذخیره سازی ثابت هزینه است. باتری های لیتیوم یونی که امروزه برای ذخیره سازی ثابت استفاده می شوند نسبتاً گران هستند. این محقق ادامه می‌دهد: «به همین دلیل است که بیشتر نیازهای ذخیره‌سازی ثابت هنوز با فناوری انرژی آبی ذخیره‌سازی پمپی برآورده می‌شود، حتی اگر چگالی انرژی بسیار پایینی در مقایسه با باتری‌ها دارد».
یکی از بزرگترین محرک های هزینه برای باتری های لیتیوم یونی ثابت، مواد مورد استفاده در ساخت آنها است. علاوه بر لیتیوم، کبالت و نیکل برای کاتد مورد نیاز است. جستجو برای مواد کاتدی بهتر محققان را به سرعت به یکی از رایج ترین عناصر در پوسته زمین هدایت کرد: آهن.
برای کاتد خود، محققان فلز ارزان قیمت را با فلوراید به شکل هیدروکسی فلوراید آهن (III) ترکیب کردند. Krawczyk توضیح می‌دهد: «رویکردهای قبلی برای ایجاد باتری مبتنی بر فلوراید آهن به تبدیل شیمیایی متکی بود. این شامل تبدیل یون های آهن به آهن فلزی است. این محقق بیان می کند: «این فرآیند چندان پایدار نیست. در حالت ایده‌آل، یون‌ها به سادگی از یک قطب به قطب دیگر بدون تغییر ساختاری عمده حرکت می‌کنند.»
چالشی برای محققان زیرا فلوریدها رسانای ضعیفی برای الکترونها و یونهای لیتیوم هستند. اما تیم Krawczyk راه حلی دارد: با استفاده از یک فرآیند ساده و ارزان، آنها به آهن (III) هیدروکسی فلوراید خود ساختار کریستالی خاصی دادند. این ساختار به اصطلاح پیروکلر حاوی کانال هایی در داخل آن است که یون های لیتیوم را هدایت می کند.
Krawczyk می گوید: “ما توانستیم با هزینه بسیار کمتر با باتری خود به عملکرد قابل مقایسه ای دست پیدا کنیم.” ما کاملا متعجبیم که کمتر کسی تا به حال برای ساختن یک سنتز ارزان از این ماده امیدوارکننده تحقیق کرده است.
