ابداع باتری فلز لیتیوم که با پیوند الکترولیتی ضعیف عملکردش را در دمای کم حفظ می‌کند

محققان نوعی باتری فلز لیتیوم با پیوند الکترولیتی ضعیف ساخته‌اند که در دمای فوق العاده پایین درصد قابل توجهی از ظرفیت خود را حفظ می‌کند.

محققان در تلاش برای بهبود باتری یون-لیتیوم هستند و یکی از گزینه‌های امیدوارکننده، ساخت نسخه‌ای است که برخلاف باتری‌های یون-لیتیوم فعلی، از فلز لیتیوم خالص در قسمت آند استفاده می‌کند. محققان با انجام تحقیقی تازه، به پیشرفت قابل توجه‌ای در این زمینه دست یافتند و موفق به ساخت نسخه‌ای شدند که با استفاده از پیوندهای ضعیف در الکترولیت‌های خود، عملکردی بی‌سابقه را در هوای سرد به ارمغان می‌آورد.

علت علاقه پژوهشگران به باتری‌های فلز لیتیوم، چگالی انرژی فوق العاده آند فلز لیتیوم خالص در مقایسه با باتری‌های فعلی است که از ترکیب گرافیت و مس استفاده می‌کنند. این برتری آنقدر قابل توجه است که برخی محققان از فلز لیتیوم تحت عنوان «ماده رویایی» یاد کرده و برخی دیگر استفاده از آن را برای از بین بردن سقف چگالی انرژی باتری‌های فعلی ضروری می‌دانند.

محققان دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو در پی ساخت باتری جدیدی بودند که بتواند در دمای فوق العاده پایین شارژ و دشارژ شود و برای این کار روی الکترولیت تمرکز کنند. هدف آن‌ها ساخت الکترولیتی بود که دچار یخ زدگی نشده و بتواند یون‌های لیتیوم را در هوای سرد، همچنان بین الکترودها حرکت دهد.

محققان دو نوع الکترولیت را آزمایش کردند: نوعی که پیوندی قوی با یون‌ها ایجاد می‌کرد و نوع دیگری که پیوندی بسیار ضعیف‌تر تشکیل می‌داد. آنها دریافتند میزان توانایی الکترولیت در آزاد کردن یون‌ها روی عملکرد باتری در دمای پایین تأثیر می‌گذارد.

سلول آزمایشی که الکترولیت با پیوند قوی داشت، پس از تنها دو چرخه در دمای منفی ۶۰ درجه سانتی گراد از کار افتاد. سلولی که الکترولیت با پیوند ضعیف داشت اما پس از ۵۰ چرخه همچنان ۷۶ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرد و زمانی که دما به منفی ۴۰ درجه رسید، ۸۴ درصد از ظرفیت خود را حفظ کرد.

«John Holoubek»، نویسنده اصلی مقاله می‌گوید: «ما متوجه شدیم پیوند بین یون‌های لیتیوم و الکترولیت و ساختارهایی که یون‌ها در الکترولیت‌ها پیدا می‌کنند، مرگ یا زندگی باتری را در دمای پایین مشخص می‌کند.»

بررسی‌های بیشتر نشان داد که یون‌ها آرایش منظم تری در آند با پیوند الکترولیتی ضعیف پیدا می‌کنند، اما در نسخه‌ای که الکترولیت با پیوند قوی داشت، یون‌ها آرایشی نامنظم و سوزن شکل پیدا کردند. به این برجستگی‌ها «دندریت» (Dendrite) می‌گویند. دندریت‌ها یکی دیگر از محدودیت‌های پیش روی محققان در توسعه باتری‌های فلز لیتیوم به شمار می‌روند، چون به سرعت سبب اتصال کوتاه و از کار افتادن باتری می‌شوند.

«Zheng Chen»، از دیگر نویسندگان تحقیق می‌گوید: «اینکه یون‌های لیتیوم چگونه در سطح اتمی با الکترولیت تعامل می‌کنند، نه تنها منجر به چرخه پایدار در دمای بسیار بسیار پایین می‌شود، بلکه از تشکیل دندریت‌ها نیز جلوگیری می‌کند.»

محققان بر اساس یافته‌های بدست آمده از این تحقیق، نمونه اولیه یک باتری فلز لیتیوم با کاتد مبتنی بر سولفور و الکترولیت پیوند ضعیف ساختند. از این باتری می‌توان در محیط‌های خشن مثل فضا یا اعماق اقیانوس‌ها استفاده کرد که دمای فوق العاده پایین، استفاده از دستگاه‌های گرم کننده برای از کار نیفتادن باتری را ضروری می‌کند.

یافته‌های این تحقیق در ژورنال Nature Energy منتشر شده است.