دانشمندان روش نوینی را برای غلبه موفقیت‌آمیز بر یک محدودیت عمده باتری‌های لیتیوم یون (LIBs) رایج و افزایش چگالی انرژی سلول‌ها اجرا کرده‌اند. محققان اهل کره جنوبی با رابط‌های ناپایدار بین الکترودها و الکترولیت‌ها مقابله کرده‌اند.
محققان معتقدند باتری‌های مبتنی بر سیلیکون می‌توانند جایگزین بهتری برای باتری‌های مبتنی بر گرافیت باشند که در حال حاضر عمدتاً در گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شوند. دلیل این امر آن است که گرافیت در ظرفیت انرژی کم می‌آورد، در حالی که سیلیکون می‌تواند تقریباً ده برابر یون‌های لیتیوم بیشتری را ذخیره کند. بنابراین، سیلیکون می‌تواند ماده آند امیدبخشی برای نسل بعدی باشد.
انبساط و انقباض حجمی چشمگیر
با این حال، محققان تأکید کردند که عیب اصلی سیلیکون، انبساط و انقباض حجمی چشمگیر آن در طول شارژ و دشارژ است که تا سه برابر اندازه اصلی خود متورم می‌شود. این انبساط و انقباض مکرر باعث ایجاد شکاف‌های مکانیکی بین الکترود و الکترولیت می‌شود و به سرعت عملکرد باتری را کاهش می‌دهد.
محققان برنامه‌ریزی کردند تا این مشکل را با جایگزینی الکترولیت‌های مایع با الکترولیت‌های حالت جامد یا الکترولیت‌های شبه‌جامد (QSSEs) که ایمنی و پایداری بهتری ارائه می‌دهند، حل کنند.
با این حال، QSSEs هنوز با حفظ تماس کامل با سیلیکون در حال انبساط و انقباض مشکل دارند که منجر به جدایی و از دست دادن عملکرد در طول زمان می‌شود.
جهت‌گیری جدید برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی
پروفسور سوجین پارک (Soojin Park) از دانشگاه پستک (POSTECH) که یکی از رهبران این مطالعه بود، اظهار داشت: «این مطالعه جهت‌گیری جدیدی را برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی که به طور همزمان نیاز به چگالی انرژی بالا و دوام طولانی‌مدت دارند، ارائه می‌دهد.»
تیم تحقیقاتی از دانشگاه پستک (POSTECH) و دانشگاه سوگانگ (Sogang University) بر روی سیستم IEE کار کردند که پیوندهای شیمیایی کووالانسی بین الکترود و الکترولیت تشکیل می‌دهد.
محققان فاش کردند که برخلاف باتری‌های رایج که اجزا صرفاً تماس دارند، سیستم IEE این دو را به یک ساختار درهم‌تنیده شیمیایی پیوند می‌دهد، مانند آجرهایی که با ملات سفت شده به هم متصل شده‌اند، بنابراین حتی تحت فشار مکانیکی شدید نیز محکم متصل باقی می‌مانند.
پروفسور جه‌گون ریو (Jaegeon Ryu) از دانشگاه سوگانگ (Sogang University) گفت: «استراتژی درهم‌تنیدگی الکترود–الکترولیت در محل (IEE) یک فناوری کلیدی است که می‌تواند تجاری‌سازی باتری‌های مبتنی بر سیلیکون را با افزایش قابل توجه پایداری رابط تسریع بخشد.»
آزمایشات عملکرد الکتروشیمیایی
آزمایشات عملکرد الکتروشیمیایی تفاوت چشمگیری را نشان داد: در حالی که باتری‌های سنتی پس از تنها چند چرخه شارژ-دشارژ ظرفیت خود را از دست دادند، باتری‌هایی که از طراحی IEE استفاده می‌کردند پایداری طولانی‌مدت را حفظ کردند. به ویژه، سلول باتری کیسه‌ای مبتنی بر IEE چگالی انرژی ۴۰۳.۷ وات ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) و ۱۳۰۰ وات ساعت بر لیتر (Wh/L) را نشان داد که طبق بیانیه مطبوعاتی، بیش از ۶۰ درصد چگالی انرژی وزنی بیشتر و تقریباً دو برابر چگالی انرژی حجمی در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون تجاری معمولی است.
محققان تأکید کردند که در عمل، این می‌تواند به خودروهای برقی کمک کند تا مسافت بیشتری را طی کنند و گوشی‌های هوشمند با استفاده از باتری هم‌اندازه، مدت زمان بیشتری کار کنند.
سیستم درهم‌تنیدگی الکترود–الکترولیت در محل (IEE) تحقیق از پیوند کووالانسی بین چسب‌های درهم‌تنیده حاوی گروه آکریلات روی مواد فعال و عوامل اتصال‌دهنده عرضی در الکترولیت شبه‌جامد (QSSE) برای ایجاد یک شبکه قوی و درهم‌تنیده استفاده می‌کند که تماس پایدار الکترود–الکترولیت را حفظ می‌کند.
این تحقیق محدودیت‌های پیکربندی الکترولیت مایع و QSSE را با کاهش هیسترزیس ولتاژ در پیک‌های (de)litiation در طول بیش از ۲۰۰ چرخه، مقاومت رابط پایدار در طول چرخه و عدم تشکیل حفره نشان می‌دهد.
طبق این مطالعه، یک کیت سلول حسگر فشار further confirms که سیستم IEE تغییرات فشار کمتری را در طول چرخه بدون هیچ نوسان ولتاژ ناشی از از دست دادن تماس نشان می‌دهد.
این تحقیق در مجله Advanced Science منتشر شده است.