باتری‌های لیتیوم-فلزی حالت جامد مدتهاست به عنوان یک تغییر دهنده بالقوه در ذخیره انرژی، به ویژه در وسایل نقلیه الکتریکی و سایر کاربردها مورد استقبال قرار گرفته‌اند.
با وعده پیشرفت‌هایی مانند دامنه طولانی‌تر، زمان شارژ سریع‌تر و ایمنی بهبود یافته، تجاری سازی این فناوری از سال ۲۰۲۶ تا ۲۰۲۸ پیش بینی شده است.
با این حال، تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که عملکرد این باتری‌ها ممکن است انتظارات اولیه را برآورده نکند و تردیدهایی را در مورد жизнеспособность آنها به عنوان جایگزینی برتر برای باتری‌های لیتیوم یونی سنتی ایجاد می‌کند.
افزایش ۰.۷۴ درصدی
مطالعه‌ای که الکترولیت‌های جامد نوع گارنت، به ویژه اکسید زیرکونیوم لانتانیوم لیتیوم (LLZO) را ارزیابی می‌کند، نشان داده است که مزایای چگالی انرژی پیش‌بینی‌شده باتری‌های لیتیوم-فلزی حالت جامد ممکن است بیش از حد بیان شده باشد.
براساس یافته‌ها، یک باتری تماماً حالت جامد لیتیوم فلزی با استفاده از LLZO به چگالی انرژی گرانشی حدود ۲۷۲ وات ساعت بر کیلوگرم می‌رسد.
این رقم فقط اندکی بیشتر از ۲۵۰ تا ۲۷۰ وات ساعت بر کیلوگرم باتری‌های لیتیوم یونی موجود است.
با توجه به هزینه‌های بالای تولید و چالش‌های مهم تولید ذاتی در کار با LLZO، این مطالعه فرض می‌کند که الکترولیت‌های کامپوزیت یا نیمه جامد ممکن است به عنوان گزینه‌های عملی‌تری ظاهر شوند.
اریک جیانفنگ چنگ (Eric Jianfeng Cheng)، نویسنده اصلی این مطالعه و محقق WPI-AIMR، دانشگاه توهوکو (Tohoku University)، اظهار داشت: «باتری‌های لیتیوم فلزی تماماً حالت جامد به عنوان آینده ذخیره انرژی در نظر گرفته شده‌اند، اما مطالعه ما نشان می‌دهد که طرح‌های مبتنی بر LLZO ممکن است جهش مورد انتظار در چگالی انرژی را ارائه ندهند. حتی در شرایط ایده‌آل، دستاوردها محدود هستند و هزینه و چالش‌های تولید قابل توجه است.»
باتری‌های لیتیوم-فلزی حالت جامد در درجه اول به دلیل بهبود ایمنی و عملکرد انرژی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
LLZO به دلیل پایداری و هدایت یونی، کاندیدای اصلی الکترولیت‌های جامد است.
با این حال، بررسی دقیق‌تر سلول‌های کیسه‌ای مبتنی بر LLZO نشان می‌دهد که انتظارات در مورد افزایش چگالی انرژی ممکن است گمراه‌کننده باشد.
حتی با یک جداکننده سرامیکی LLZO فوق‌العاده نازک ۲۵ میکرومتری و یک کاتد با ظرفیت بالا، عملکرد فقط کمی بهتر از بهترین سلول‌های لیتیوم یونی معمولی باقی می‌ماند.
باتری‌های لیتیومی حالت جامد
مسئله مهمی که در این مطالعه مورد تأکید قرار گرفته است، چگالی LLZO است.
در حالی که چگالی انرژی حجمی چشمگیری در حدود ۸۲۳ وات ساعت بر لیتر دارد، این ویژگی همچنین به افزایش جرم کلی سلول کمک می‌کند، که مزایای انرژی پیش‌بینی‌شده را کاهش می‌دهد.
علاوه بر این، محدودیت‌های LLZO به همین جا ختم نمی‌شود. شکنندگی آن ساخت ورق‌های نازک و بدون نقص را پیچیده می‌کند، در حالی که دندریت‌های لیتیوم بالقوه و حفره‌ها در رابط چالش‌های بیشتری را برای تولید در مقیاس بزرگ ایجاد می‌کنند.
چنگ تأکید کرد: «LLZO از نظر پایداری یک ماده عالی است، اما محدودیت‌های مکانیکی و جریمه وزن آن موانع جدی برای تجاری‌سازی ایجاد می‌کند.»
با توجه به این یافته‌ها، محققان در حال بررسی رویکردهای ترکیبی هستند که LLZO را با مواد دیگر ترکیب می‌کند.
یکی از استراتژی‌های امیدوارکننده‌تر شامل توسعه الکترولیت‌های کامپوزیتی LLZO در پلیمر است.
هدف از این رویکرد حفظ هدایت یونی بالا در عین افزایش انعطاف‌پذیری و قابلیت تولید است.
مفهوم نوظهور دیگر الکترولیت‌های LLZO نیمه جامد است که مقدار کمی الکترولیت مایع را با اجزای جامد مخلوط می‌کند تا انتقال یونی و یکپارچگی ساختاری بهبود یابد.
نتایج اولیه نشان می‌دهد که این طرح‌های ترکیبی در مقایسه با همتایان کاملاً سرامیکی خود، پایداری طولانی مدت بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهند.
چنگ اظهار داشت: «به جای تمرکز بر یک باتری تماماً سرامیکی حالت جامد، باید رویکرد خود را دوباره بررسی کنیم.»
وی افزود: «با ترکیب LLZO با الکترولیت‌های مبتنی بر پلیمر یا ژل، می‌توانیم قابلیت تولید را بهبود بخشیم، وزن را کاهش دهیم و همچنان عملکرد بالایی را حفظ کنیم.»
این مطالعه که اخیراً در Energy Storage Materials منتشر شده است، بازتابی از همکاری بین محققان دانشگاه توهوکو، دانشگاه جیائو تونگ شانگهای (Shanghai Jiao Tong University)، MIT، UW Madison، دانشگاه جانز هاپکینز (Johns Hopkins University) و دانشگاه سنت اندروز (St Andrews University) است.