محققان دانشگاه ملی علم و فناوری سئول (Seoultech) به پیشرفت چشمگیری در فناوری باتری‌های لیتیوم-یون دست یافته‌اند که وعده خودروهای برقی (EV) و سیستم‌های ذخیره انرژی قابل‌اعتمادتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر را می‌دهد.
محققان اظهار داشتند: «با افزایش تقاضای جهانی برای باتری‌های پایدار و مقرون‌به‌صرفه، باتری‌های لیتیوم-یون به عنوان راه حل‌های ذخیره انرژی در خط مقدم قرار دارند.»
تیم تحقیقاتی تکنیک جدیدی برای افزایش عملکرد و پایداری کاتدهای LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) ولتاژ بالا توسعه داده است که به عنوان ماده‌ای امیدوارکننده برای باتری‌های پرانرژی در نظر گرفته می‌شود.
پروفسور Dongwook Han، سرپرست این تیم، توضیح داد: «برای افزایش عملکرد کاتدهای LNMO، ما یک سطح خارجی غنی‌شده با K2CO3 و یک زیرسطح partially delithiated از ذرات LNMO از طریق یک روش شیمی مرطوب با کمک KOH معرفی کردیم.»
«اثر هم‌افزایی این لایه‌ها منجر به عملکرد چشمگیر چرخه‌های شارژ/دشارژ الکتروشیمیایی و افزایش پایداری حرارتی کاتدهای LNMO می‌شود.»
پرداختن به محدودیت‌های LNMO
LNMO مدت‌هاست به دلیل پایداری حرارتی ذاتی و مقرون‌به‌صرفه بودن، به عنوان ماده‌ای نویدبخش برای کاتدهای ولتاژ بالا شناخته می‌شود.
تیم تاکید کرد: «با این حال، کاربرد آن به دلیل واکنش‌های جانبی نامطلوب مانند تجزیه الکترولیت محدود شده است، که عملکرد آن را با گذشت زمان کاهش می‌دهد.»
تجزیه در رابط بین کاتد و الکترولیت، مایعی که یون‌ها را در داخل باتری هدایت می‌کند، رخ می‌دهد.
این تجزیه منجر به تشکیل یک لایه مقاومتی بر روی سطح کاتد می‌شود، که جریان یون‌های لیتیوم را مختل کرده و در نهایت عملکرد باتری را با گذشت زمان تخریب می‌کند.
برای غلبه بر این چالش، پروفسور Han و تیمش از یک رویکرد مهندسی دوگانه پیچیده استفاده کردند.
رویکرد مهندسی دوگانه
محققان با ایجاد مسیرهای خالی از لیتیوم در زیرسطح ذرات LNMO، مهاجرت سریع‌تر و کارآمدتر یون‌های لیتیوم را تسهیل کردند.
این انتقال بهبود یافته یون‌های لیتیوم، قابلیت نرخ باتری را بهبود می‌بخشد، که شارژ و دشارژ سریع‌تر را امکان‌پذیر می‌کند.
پس از آن، محققان یک لایه محافظ K2CO3 را روی سطح ذرات LNMO معرفی کردند.
این لایه به عنوان یک مانع در برابر تجزیه الکترولیت عمل می‌کند، و از تشکیل لایه مقاومتی ممانعت‌کننده عملکرد جلوگیری می‌کند. این لایه محافظ به طور قابل توجهی عمر چرخه و پایداری کلی باتری را افزایش می‌دهد.
در آزمایش‌ها، کاتدهای مهندسی‌شده سطحی توانایی برتری را نشان دادند.
محققان افزودند: «کاتدها ظرفیت تخلیه 110 mAh/g با حفظ ظرفیت 97٪ پس از 100 چرخه نشان دادند، که بهبود قابل توجهی نسبت به ظرفیت تخلیه 89 mAh/g و حفظ 91٪ کاتدهای LNMO درمان‌نشده است.»
پیامدهای گسترده
پروفسور Han نتیجه گرفت: «ما معتقدیم که این امر با فعال کردن چگالی انرژی بالا و ایمنی استثنایی، کاربردهای باتری‌ها را در خودروهای برقی در مقیاس بزرگ و سیستم‌های ذخیره انرژی پیشرفت می‌دهد.»
صنعت باتری‌های لیتیوم-یون اخیراً شاهد چندین تحول بوده است.
شرکت آمریکایی Anthro Energy اخیراً از فناوری الکترولیت پروتئوس خود رونمایی کرده است، که ادعا می‌شود یک تغییردهنده بازی برای باتری‌ها است. به گفته این شرکت، این ماده می‌تواند از مایع به جامد تغییر کند و می‌تواند باتری‌های قدرتمندتر، بادوام‌تر و ایمن‌تر بسازد.
علاوه بر این، پیشرفت‌های متعددی برای افزایش کارایی فرآیندهای استخراج لیتیوم صورت گرفته است. در این مجموعه، محققان در Penn State یک روش الکتروشیمیایی برای استخراج لیتیوم از سنگ معدن ایجاد کرده‌اند، که 92٪ کارآمد است و انتشار گازهای گلخانه‌ای را 75٪ کاهش می‌دهد.