روشی تازه برای استفاده از باتری‌های حالت جامد با ظرفیت دو برابری ابداع شد

یکی از روش‌های بالقوه دستیابی به نسل بعدی باتری تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی استفاده از الکترولیت‌های حالت جامد به جای الکترولیت‌های مایع موجود در باتری‌های لیتیومی امروزی است. گروهی از محققان در آمریکا نمونه آزمایشی این باتری‌های حالت جامد را تولید کرده‌اند. این باتری‌ها می‌توانند موانع موجود بر سر راه تولید نسل بعدی باتری‌ها را از پیش رو برداشته و با کمک یک ماده خودترمیم‌شونده امکان استفاده از باتری‌های پایدار و باظرفیت را فراهم کنند.

در باتری‌های لیتیوم-یونی موجود، الکترولیت مایع در هنگام شارژ و تخلیه شارژ یون‌های لیتیوم را بین جفت الکترودها به سمت عقب و جلو حمل می‌کند. اگر بتوانیم الکترولیت را از مواد جامد بسازیم، باتری‌ها ایمن‌تر می‌شوند و می‌توانیم انرژی بسیار بیشتری در آن‌ها ذخیره کنیم. نسخه‌های آزمایشی این سلول‌ها نشان داده‌اند که با این فناوری می‌توان ظرفیت باتری‌های لیتیوم-یونی موجود را تا دو برابر افزایش داد.

مشکل استفاده از مواد جامد تشکیل اشکال شاخک‌مانندی موسوم به «دندریت» (Dendrite) است که همراه با سیکل‌های باتری روی سطح یکی از الکترودها پدید می‌آید. این سوزن‌های ریز می‌توانند موجب اتصال کوتاه باتری و خرابی یا حتی آتش گرفتن شوند. بنابراین دستیابی به راهکاری در طراحی باتری‌های حالت جامد که این مشکل را نداشته باشد، دستاورد بزرگی محسوب می‌شود.

حالا محققان دانشگاه MIT، دانشگاه A&M تگزاس، دانشگاه «براون» و دانشگاه «کارنگی ملون» راهکار نویدبخشی را ارائه کرده‌اند. آن‌ها نوعی الکترود نیمه جامد ساخته‌اند که از آلیاژ سدیم-پتاسیم تشکیل شده و شبیه ماده‌ای است که دندان‌پزشکان از آن برای پر کردن دندان‌ها استفاده می‌کنند.

این ماده به گونه‌ای است که در تماس با الکترولیت جامد ترک‌های ریز برنمی‌دارد و تشکیل دندریت نمی‌دهد. با پر و خالی شدن انرژی باتری، دمای عملیاتی ماده را دقیقا در شرایط نیمه جامد نگه می‌دارد تا بدون ایجاد دندریت قادر به تطابق با جریان‌های بالا – حدود ۲۰ برابر بالاتر از لیتیوم جامد – باشد. این راهکار مشکل دیگر باتری‌های حالت جامد را حل می‌کند که باعث می‌شد باتری‌ها نتوانند بدون تشکیل دندریت با نرخ‌های واقعی شارژ مجدد داشته باشند.

محققان در یک طراحی دیگر نوار ظریفی از آلیاژ سدیم-پتاسیم مایع را درون باتری کار گذاشتند و ساندویچی از الکترود جامد و الکترولیت جامد به وجود آوردند. این روش مانع از ایجاد دندریت شد و مسیر جذاب دیگری را برای اکتشاف و نوآوری به وجود آورد.

محققان اکنون با اتکا بر نتایج امیدوارکننده آزمایش‌های خود به دنبال روش‌هایی برای اعمال این فناوری روی سایر معماری‌های باتری‌های حالت جامد هستند. «ونکاتاسوبرامانیان ویسوناتان» (Venkatasubramanian Viswanathan) استاد مهندسی مکانیک دانشگاه کارنگی ملون می‌گوید: «فکر می‌کنیم می‌توانیم این رویکرد را برای همه باتری‌های لیتیوم-یونی حالت جامد اجرا کنیم. معتقدیم که بلافاصله می‌توان از این فناوری در تولید دامنه گسترده‌ای از دستگاه‌های دستی گرفته تا خودروها و هواپیماهای برقی استفاده کرد.»