افزایش چند برابری ظرفیت و سرعت شارژ باتری‌ها با روشی جدید

تیم از محققان دانشگاه کلمبیا با رونمایی از روش جدید پایدارسازی الکترولیت های جامد در فلز لیتیوم، ساخت باتری های قدرتمند حالت جامد را یک قدم به واقعیت نزدیک کردند.

باتری های نام آشنای لیتیوم یونی امروزه انتخاب اول برای استفاده در اسمارت فون ها و سایر گجت های باتری محور به شمار می آیند. این باتری ها جدای از مزایایی که در اختیار کاربر می گذارند معایبی نیز دارند. برای مثال علاوه بر محدودیت در مقدار توان قابل ذخیره و عمر کوتاه، احتمال آتش گرفتن آنها در صورت درست شارژ نشدن یا آسیب دیدن وجود دارد.

تیم مهندسی دانشگاه کلمبیا، با استفاده از نانو پوشش بور - نیتراید، به فناوری جدیدی برای تولید باتری دست یافتند که امکان ذخیره 10 برابر شارژ بیشتر را نسبت به باتری های گرافیتی لیتیوم یون فراهم می کند. علاوه بر این الکترولیت های سرامیکی مورد استفاده در این باتری ها قابل اشتعال نبوده و امنیت بیشتری دارند.

موانع توسعه باتری های حالت جامد

ایده باتری های حالت جامد موضوع جدیدی نیست اما مشکلاتی مانند مواد مورد نیاز برای ساخت، امنیت طراحی، هزینه ساخت و تکنیک های تولید موانعی بر سر راه عملی شدن این ایده بوده اند.

علاوه بر هزینه ساخت، مشکل اصلی تولید باتری های حالت جامد «دندریت» ها هستند. دندریت یک شبکه شبه کریستالی از فلز لیتیوم است که از بخش آند باتری شروع شده و می تواند در کل باتری رشد کند. این شبکه به خاطر جریان بالای شارژ و دشارژ در باتری رخ می دهد، چرا که یون های موجود در الکترولیت با الکترون ها ترکیب شده و یک لایه جامد لیتیوم تشکیل می دهند.

دندریت شکل گرفته، مقدار الکترولیت در دسترس درون باتری را کاهش داده و باعث کم شدن حجم ذخیره ای باتری می شود. بدتر از این، ماده مذکور می تواند از آند به کاتد مسیری تشکیل داده و باعث اتصال کوتاه شدن و آتش گرفتن باتری شود.

برای حل این مشکل، باتری های لیتیوم یون متداول از یک مایع الکترولیتی استفاده می کنند و با قرار گرفتن گرافیت در بخش آند نیز پایداری این باتری بیشتر می شود. بنابراین سازندگان باتری های لیتیوم یونی با استفاده از ترفندهایی در ساخت، مواد شیمیایی و مواد سازنده جریان یون ها را محدود کرده و  از شکل گیری دندریت ها جلوگیری می کنند، اما هزینه ای که برای این هدف پرداخته اند، افزایش احتمال اشتعال و کاهش ظرفیت باتری است.

حل مشکل با تکنولوژی جدید

راه حلی که محققان برای جلوگیری از تشکیل دندریت در باتری های حالت جامد پیشنهاد داده اند، استفاده از یک نانو پوشش بور - نیتراید (BN) به ضخامت 5 تا 10 نانومتر است که فلز لیتیوم را نسبت به یون ها ایزوله می کند. این عایق سازی علاوه بر ایجاد مانع در برابر تولید دندریت و اتصال کوتاه باتری، به اندازه کافی نازک طراحی شده تا ظرفیت باتری کاهش پیدا نکند.

با توجه به تکنولوژی مورد استفاده می توان گفت که باتری های حالت جامد تا 6 برابر شارژ سریعتر، ظرفیت بیشتر 2 تا 10 برابری و عمر طولانی تر (تا 10 سال) در اختیار کاربران گجت ها قرار خواهند داد. علاوه بر این مواد سازنده باتری قابل اشتعال نیستند و همین موضوع امنیت استفاده از آن ها را بیشتر می کند.