در عصری که دستگاه‌های الکترونیکی و وسایل نقلیه الکتریکی نیازمند عملکرد بهتر باتری هستند، دانشمندان در تلاشند تا باتری‌هایی تولید کنند که عمر طولانی‌تری داشته باشند، سریع‌تر شارژ شوند و انرژی بیشتری ذخیره کنند.
یک راه‌حل امیدوارکننده، باتری‌های تمام حالت جامد (ASSBs) هستند که می‌توانند از باتری‌های لیتیوم-یون سنتی هم در بازدهی و هم در ایمنی پیشی بگیرند.
در قلب این نوآوری، ماده فعال کاتد (CAM)، به‌ویژه آنهایی که غنی از نیکل (Ni) هستند، قرار دارد که نقش مهمی در افزایش عملکرد باتری ایفا می‌کند.
نقش کاتدهای غنی از نیکل
باتری‌های تمام حالت جامد (ASSBs) با استفاده از الکترولیت‌های جامد به جای الکترولیت‌های مایع، با باتری‌های لیتیوم-یون معمولی تفاوت دارند و خطر آتش‌سوزی را کاهش داده و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی را بهبود می‌بخشند.
با این حال، عملکرد این باتری‌ها به شدت به اثربخشی کاتدهای آنها بستگی دارد. محققان بر روی کاتدهای غنی از نیکل تمرکز کرده‌اند، زیرا این کاتدها پتانسیل افزایش قابل توجه چگالی انرژی را دارند. با این وجود، این کاتدها علی‌رغم مزایایشان، محدودیت‌های خاصی را نشان داده‌اند که بر طول عمر باتری تأثیر می‌گذارد.
نام-یونگ پارک، هان-اوک لی و همکارانشان در مقاله خود نوشتند: «باتری‌های تمام حالت جامد (ASSBs) متشکل از مواد فعال کاتد (CAMs) لایه‌ای غنی از نیکل و الکترولیت‌های جامد سولفیدی، کاندیداهای امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های نسل بعدی با چگالی انرژی و ایمنی بالا هستند.»
«با این حال، کاهش شدید ظرفیت به دلیل تخریب سطحی در فصل مشترک CAM-الکترولیت و تغییرات شدید حجم شبکه در CAM رخ می‌دهد که منجر به جداسازی درون ذره‌ای و جدا شدن CAM از الکترولیت می‌شود.»
چالش‌ها و پیشرفت‌ها در طراحی کاتد غنی از نیکل
یک چالش بزرگ در مورد کاتدهای غنی از نیکل، کاهش ظرفیت است که زمانی رخ می‌دهد که باتری‌ها توانایی خود را برای نگه داشتن شارژ در طول زمان از دست می‌دهند.
این تخریب عمدتاً ناشی از واکنش‌های شیمیایی در فصل مشترک کاتد-الکترولیت و تغییرات ساختاری در خود کاتد است. انبساط و انقباض ذرات کاتد در طول چرخه‌های شارژ منجر به تجزیه مواد و کاهش بازدهی باتری می‌شود.
برای درک بهتر این مسائل، محققان دانشگاه هانیانگ در کره جنوبی مطالعه‌ای را انجام دادند تا بررسی کنند که چگونه سطوح مختلف نیکل در کاتد بر تخریب تأثیر می‌گذارد.
آنها چهار نوع مختلف از کاتدهای غنی از نیکل را با محتوای نیکل از ۸۰٪ تا ۹۵٪ سنتز کردند و تأثیرات آنها را بر عملکرد باتری تجزیه و تحلیل کردند.
پارک، لی و همکارانشان نوشتند: «ما عوامل کاهش ظرفیت کاتدهای ASSB کامپوزیت Li[NixCoyAl1-x-y]O2 غنی از نیکل را به عنوان تابعی از محتوای نیکل کمی‌سازی کردیم.» «مشخص شد که تخریب سطحی در فصل مشترک CAM-الکترولیت، علت اصلی کاهش ظرفیت در CAM با محتوای نیکل ۸۰٪ است، در حالی که جداسازی درون ذره‌ای و جدا شدن CAM از الکترولیت با افزایش محتوای نیکل به ۸۵٪ یا بیشتر، نقش مهمی ایفا می‌کند.»
پیشبرد عملکرد کاتد غنی از نیکل
این مطالعه نشان داد که تخریب سطحی، مشکل اصلی کاتدهایی با ۸۰٪ نیکل است، در حالی که محتوای نیکل بالاتر (۸۵٪ یا بیشتر) منجر به جداسازی و جدا شدن ذرات می‌شود و بازدهی باتری را بیشتر کاهش می‌دهد. با استفاده از این دانش، محققان یک کاتد غنی از نیکل اصلاح‌شده با سطح و ساختار بهینه ایجاد کردند. این کاتدها دارای طراحی ستونی بودند که به طور قابل توجهی جدا شدن ذرات را کاهش داده و پایداری کلی را بهبود می‌بخشید.
هنگامی که در یک سلول کامل نوع کیسه‌ای با الکترود آند-کم C/Ag آزمایش شد، کاتدهای تازه طراحی شده ۸۰.۲٪ از ظرفیت اولیه خود را پس از ۳۰۰ چرخه شارژ حفظ کردند. این امر گامی مهم در جهت بهبود ASSBها است و آنها را برای پذیرش گسترده، مطمئن‌تر و مناسب‌تر می‌کند.
با پالایش کاتدهای غنی از نیکل، محققان راه را برای باتری‌های حالت جامد با کارایی بالا، عمر طولانی و ایمن‌تر هموار می‌کنند. این پیشرفت می‌تواند انقلابی در ذخیره‌سازی انرژی ایجاد کند و باعث پیشرفت در دستگاه‌های الکترونیکی، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر کاربردهای مبتنی بر باتری شود.
تیم دانشگاه هانیانگ یافته‌های خود را در مجله Nature Energy منتشر کردند.
عامر خولم عامر یک روزنامه‌نگار باسابقه در حوزه فناوری است که در مجله Exhibit، Republic World و PR Newswire تجربه دارد. او با علاقه‌ای عمیق به همه چیزهای مرتبط با فناوری و علم، سال‌ها به رمزگشایی آخرین نوآوری‌ها و بررسی چگونگی شکل‌دهی آنها به صنایع، سبک زندگی و آینده بشریت پرداخته است.