دستاورد انقلابی کره‌جنوبی در باتری‌های لیتیوم‌فلزی: شارژ فوق‌سریع خودروهای برقی

چرا باتری‌های لیتیوم‌فلزی اهمیت دارند؟

در بحبوحه شتاب‌گرفتن جهانی‌شدن برقی‌سازی حمل‌ونقل، خودروسازان به دنبال باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا و قابلیت شارژ سریع در عرض چند دقیقه هستند. باتری‌های لیتیوم‌فلزی به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای سیستم‌های لیتیوم‌ یونی مطرح شده‌اند، زیرا از نظر تئوری توانایی ذخیره انرژی بیشتری را در واحد وزن دارند. با این حال، مسائل مربوط به ایمنی و دوام، تاکنون مانع از تجاری‌سازی گسترده آن‌ها شده است.

ریشه اصلی مشکل: رشد دندریت‌ها

چالش اصلی در باتری‌های لیتیوم‌فلزی، به هنگام شارژ بروز می‌کند. لیتیوم تمایل دارد ساختارهای سوزنی‌شکل بسیار ریزی به نام دندریت تشکیل دهد. این بلورهای تیز می‌توانند لایه‌های داخلی باتری را سوراخ کرده و منجر به اتصال کوتاه، افت سریع ظرفیت و حتی آتش‌سوزی شوند.

این پدیده با بی‌ثباتی در ناحیه مرزی میان الکترود و الکترولیت مرتبط است؛ جایی که در اثر چرخه‌های مکرر شارژ و دشارژ، سطح تماس ناهموار شده و رسوب لیتیوم به صورت نامنظم انجام می‌گیرد. حتی در شرایط عملیاتی متوسط نیز کنترل یکنواخت حرکت یون‌های لیتیوم دشوار بوده است. در بسیاری از پژوهش‌ها، چگالی جریان حدود ۴ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع به عنوان سطح بالایی محسوب می‌شود. عبور از این محدودیت، شرط کلیدی برای استفاده واقعی از باتری‌های لیتیوم‌فلزی در خودروهای برقی ارزیابی می‌شود.

طراحی هوشمندانه در سطح ساختار الکترونیکی

این پژوهش پیشگامانه تحت هدایت نام‌سون چوی و سونگ‌بوم هونگ در KAIST و با همکاری تیمی از دانشگاه کره انجام شد. رویکرد محققان، به جای تغییرات متداول در مواد، بر طراحی در سطح ساختار الکترونیکی متمرکز بوده است.

• افزودن تیوفن: آن‌ها ترکیب تیوفن را به الکترولیت اضافه کردند که منجر به شکل‌گیری یک لایه محافظ هوشمند روی سطح لیتیوم شد.
• بازآرایی پویا: برخلاف پوشش‌های ایستا، این لایه می‌تواند ساختار الکترونیکی خود را به صورت پویا بازآرایی کند.
• مسیرهای یکنواخت: همزمان با حرکت یون‌های لیتیوم، توزیع بار در این لایه تغییر می‌کند و مسیرهای پایدار و یکنواختی برای عبور یون‌ها شکل می‌گیرد؛ سازوکاری که از تجمع ناهمگون و رشد دندریت جلوگیری می‌کند.

شبیه‌سازی‌های مبتنی بر نظریه تابعی چگالی نشان داد که این افزودنی در مقایسه با افزودنی‌های تجاری رایج، پایداری مرزی بسیار بالاتری ایجاد می‌کند. در نتیجه، رشد دندریت حتی در شرایط شارژ تهاجمی نیز به طور مؤثر مهار شد.

شارژ ۱۲ دقیقه‌ای در شرایط واقعی

پژوهشگران با موفقیت توانستند قابلیت شارژ سریع در مدت ۱۲ دقیقه را با چگالی جریان بیش از ۸ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع به نمایش بگذارند. این سطح از عملکرد، به نیازهای شارژ سریع و شتاب‌گیری در خودروهای برقی نزدیک است.

• مشاهده رسوب لیتیوم: برای بررسی رفتار داخلی باتری، از میکروسکوپ نیروی اتمی درجا استفاده شد تا رسوب لیتیوم در مقیاس نانومتری مشاهده شود.
• پایداری مکانیکی و ساختاری: نتایج نشان داد که حتی در جریان‌های بالا نیز رسوب و برداشت لیتیوم به صورت یکنواخت در سطح انجام می‌شود که بیانگر پایداری مکانیکی و ساختاری سامانه است.
• سازگاری گسترده: نکته مهم دیگر، سازگاری این فناوری با کاتدهای متداول از جمله فسفات آهن لیتیوم، اکسید کبالت لیتیوم و اکسید نیکل کبالت منگنز لیتیوم است. این سازگاری می‌تواند امکان ادغام فناوری جدید را در خطوط تولید فعلی خودروهای برقی فراهم کند.

به گفته چوی، این دستاورد صرفاً بهبود یک ماده نیست، بلکه حل یک مسئله بنیادی در باتری‌ها از طریق طراحی ساختار الکترونیکی محسوب می‌شود و می‌تواند به فناوری پایه‌ای باتری‌های نسل بعد خودروهای برقی با شارژ سریع و عمر طولانی تبدیل شود.

نتایج این پژوهش مهم در نشریه علمی InfoMat منتشر شده است.