زمینه:
محققان در موسسه بیوانرژی و فناوری فرآیندهای زیستی چینگدائو، آکادمی علوم چین، به یک پیشرفت قابل توجه در باتریهای لیتیومی حالت جامد دست یافتهاند که به طور بالقوه رویای دستگاههای الکترونیکی کوچکتر با عمر باتری طولانیتر را محقق میکند. این پیشرفت در 31 ژوئیه در مجله علمی بینالمللی Nature Energy منتشر شد.
باتریهای لیتیوم یونی که در تلفنهای همراه، رایانهها و سایر دستگاههای الکترونیکی استفاده میشوند، عمدتاً انرژی را از طریق الکترولیتهای مایع ذخیره و آزاد میکنند. دانشمندان در حال حاضر در حال بررسی نوع جدیدی از باتریها هستند - باتریهای لیتیومی حالت جامد. این باتریها به جای مایعات از الکترولیتهای جامد استفاده میکنند و این امر آنها را بسیار ایمنتر میکند.
در حالی که باتریهای لیتیومی حالت جامد ایدهآل به نظر میرسند، توسعه آنها با چالشهایی روبرو است. در درجه اول، خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوت مواد موجود در کاتد باتری، سازگاری کامل را دشوار میکند و منجر به مشکلات متعدد رابط میشود که چگالی انرژی و طول عمر را به خطر میاندازد. برای رفع این مشکل، تیم تحقیقاتی یک ماده جدید توسعه داد: یک ماده کاتد همگن (لیتیوم تیتانیوم ژرمانیوم فسفوسلنید).
در مقایسه با مواد معمولی، این ترکیب مزایایی از جمله رسانایی الکتریکی بالا، چگالی انرژی بالا و عمر طولانیتر دارد:
رسانایی الکتریکی بالا:این ماده جدید هم رسانایی یونی و هم رسانایی الکترونی بالایی را نشان میدهد که بیش از 1000 برابر از مواد باتری سنتی (کاتدهای اکسید لایهای) فراتر میرود. این امر امکان شارژ و دشارژ روان را بدون تکیه بر افزودنیهای رسانا فراهم میکند و عملکرد کلی باتری را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
ظرفیت تخلیه بالا:این ماده جدید ظرفیت تخلیه بالایی معادل 250 میلیآمپر ساعت در هر گرم را نشان میدهد که از مواد کاتد نیکل بالا که در حال حاضر استفاده میشود، فراتر میرود. در وزن یا حجم معادل، باتریهایی که این ماده را شامل میشوند میتوانند انرژی الکتریکی بیشتری را ذخیره کنند. این نه تنها امکان عملکرد طولانیتر بدون نیاز به شارژ مکرر را فراهم میکند و در نتیجه استقامت را افزایش میدهد، بلکه اندازه باتری را نیز کاهش میدهد و طراحی دستگاههای جمع و جورتر را تسهیل میکند.
تغییر حجم کم:در طول چرخههای شارژ و دشارژ، ماده جدید تغییر حجم تنها 1.2٪ را نشان میدهد که به طور قابل توجهی کمتر از 50٪ مشاهده شده در مواد کاتد اکسید لایهای معمولی است. این تغییر حجم کم به حفظ پایداری ساختاری کمک میکند و در نتیجه طول عمر عملیاتی باتری را افزایش میدهد.
چگالی انرژی بالا:باتریهای لیتیومی حالت جامد که از این ماده جدید استفاده میکنند، به چگالی انرژی 390 وات ساعت بر کیلوگرم میرسند که نشاندهنده افزایش 1.3 برابری نسبت به باتریهای لیتیومی حالت جامد با چرخه طولانی است که قبلاً گزارش شده بود.
عمر طولانی:باتریهای لیتیومی حالت جامد که از این ماده استفاده میکنند، بیش از 10000 چرخه را به دست میآورند. پس از 5000 چرخه شارژ، باتری 80٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ میکند و انرژی کافی را برای مدت طولانی ارائه میدهد.
این تحقیق پشتیبانی فنی حیاتی را برای توسعه دستگاههای ذخیره انرژی با چگالی انرژی بالا و عمر طولانی فراهم میکند و منابع انرژی ایمن و بادوامی را برای وسایل نقلیه انرژی جدید، شبکههای ذخیره انرژی و تجهیزات اعماق دریا/فضای عمیق ارائه میدهد. این امر پیامدهای مهمی برای پیشبرد سیستمهای ذخیره انرژی جدید دارد.