یک میلیون کیلومتر؛ عمر جدید باتری‌های خودروهای الکتریکی!

محققان دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ (POSTECH) با توسعه روشی برای سنتز مواد کاتدی تک‌کریستال با دوام، تکنولوژی باتری خودروهای الکتریکی را بهبود بخشیده‌ و عمر و کارایی آنها را یک میلیون کیلومتر افزایش داده‌اند.

آیا تک کریستال‌های با دمای بالا می‌توانند خودروهای الکتریکی را قادر به طی مسافت تا یک میلیون کیلومتر کنند؟

تیمی از دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ (POSTECH)، به رهبری پروفسور کیو-یونگ پارک از موسسه تحصیلات تکمیلی مواد فرومغناطیسی و اکو و دانشکده علوم و مهندسی مواد، همراه با دانشجوی دکترا کیونگ اون لی و فارغ‌التحصیل یورا کیم، پیشرفت قابل‌توجهی در این زمینه داشته‌اند. با همکاری با مرکز نکس هاب POSCO، آن‌ها موفق به توسعه تکنولوژی سنتز تک‌کریستالی شده‌اند که به طور چشم‌گیری طول عمر مواد کاتدی مورد استفاده در خودروهای الکتریکی را افزایش می‌دهد.

این پژوهش در نسخه آنلاین مجله بین‌المللی ACS Materials & Interfaces در زمینه علوم مواد منتشر شده است.

باتری‌های ثانویه لیتیوم (Li) که به‌طور معمول در خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند، انرژی را با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی ذخیره کرده و از طریق حرکت یون‌های لیتیوم بین کاتد و آند، انرژی شیمیایی را به صورت انرژی الکتریکی آزاد می‌کنند. این باتری‌های ثانویه عمدتاً از مواد کاتدی نیکل (Ni) به دلیل ظرفیت بالای ذخیره‌سازی یون لیتیوم استفاده می‌کنند. مواد سنتی مبتنی بر نیکل دارای ریخت‌شناسی پلی‌کریستال هستند که از بسیاری از کریستال‌های کوچک تشکیل شده‌اند و در طول شارژ و دشارژ ممکن است دچار تخریب ساختاری شوند. این مشکل به‌طور چشم‌گیری عمر باتری‌ها را کاهش می‌دهد.

مزایای مواد کاتدی تک‌کریستال

یک رویکرد برای مقابله با این مسئله، تولید ماده کاتدی به صورت “تک‌کریستال” است. ایجاد مواد کاتدی مبتنی بر نیکل به صورت ذرات بزرگ منفرد یا “تک‌کریستال” می‌تواند پایداری ساختاری و شیمیایی و دوام آن‌ها را افزایش دهد. این مواد تک‌کریستالی مطمئنا باید در دماهای بالا سنتز و سپس سخت شده باشند. با این حال، فرآیند دقیق سخت‌شدن در طول سنتز و شرایط خاصی که تحت آن این اتفاق می‌افتد، همچنان نامشخص باقی مانده است.

برای بهبود دوام مواد کاتدی نیکل برای خودروهای الکتریکی، محققان بر شناسایی دمایی خاص که به عنوان “دمای بحرانی” شناخته می‌شود و در آن مواد تک‌کریستالی با کیفیت بالا سنتز می‌شوند، تمرکز کردند. آن‌ها دماهای مختلف سنتز را برای تعیین شرایط بهینه برای تشکیل تک‌کریستال‌ها در سنتز یک ماده کاتدی مبتنی بر نیکل (N884) مورد بررسی قرار داند. این تیم تحقیقاتی به‌طور سیستماتیک تاثیر دما بر ظرفیت و عملکرد بلندمدت ماده را مشاهده کرد.

محققان دریافتند که مواد پلی‌کریستالی سنتی که در دمایی کمتر از دمای بحرانی سنتز شده‌اند، در طول استفاده طولانی‌مدت در باتری‌های ثانویه مستعد تخریب هستند. با این حال، زمانیکه در دمایی بالاتر از دمای بحرانی سنتز می‌شوند، به راحتی تک‌کریستال‌های تولیدی کیفیت بالاتری خواهند داشت که منجر به مواد با طول عمر بالاتر می‌شود.

این به دلیل فرآیندی به نام “تراکم” است که در دمایی بالاتر از دمای بحرانی رخ می‌دهد. در طی این فرآیند، اندازه دانه داخلی ماده افزایش می‌یابد و فضای خالی داخل ماده به صورت فشرده پر می‌شود. تک‌کریستال‌های متراکم در برابر تخریب در طول زمان بسیار سخت و مقاوم  هستند و به‌طور قابل‌توجهی دوام آن‌ها را افزایش می‌دهد. بر اساس این یافته‌ها، این تیم تحقیقاتی تأیید کرد که سنتز تک‌کریستال‌ها در دمای بالاتر از دمای بحرانی یک استراتژی طراحی ماده مطلوب‌تر است. آن‌ها همچنین یک روش مؤثر برای سنتز مواد تک‌کریستالی با کیفیت بالا پیشنهاد کردند.

پروفسور کیو-یونگ پارک از دانشگاه POSTECH بیان کرد:

ما یک استراتژی سنتز جدید برای افزایش دوام مواد کاتدی مبتنی بر نیکل معرفی کرده‌ایم. ما به تحقیقات خود ادامه خواهیم داد تا باتری‌های ثانویه برای خودروهای الکتریکی را ارزان‌تر، سریع‌تر و با دوام‌تر کنیم.

منبع: Scitechdaily