دانشمندان سرانجام علت اتصال کوتاه در باتری‌های حالت جامد را کشف کردند!

پژوهشگران سازوکار (مکانیسم) حیاتی نهفته در پس خرابی باتری های حالت جامد را کشف کرده‌اند؛ دستاوردی که بینش‌های جدیدی را برای کمک به توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی ایمن‌تر و بادوام‌تر ارائه می‌دهد.

هر بار که یک گوشی هوشمند شارژ می‌شود یا یک خودروی برقی به برق متصل می‌گردد، میلیاردها یون لیتیوم برای ذخیره انرژی در باتری جابه‌جا می‌شوند. دستگاه‌های آینده با باتری های حالت جامد (Solid-State) می‌توانند عملکرد بسیار بهتری داشته باشند؛ فناوری نویدبخشی که دوام بیشتر گوشی‌ها، ذخیره ایمن‌تر انرژی و خودروهای برقی با توانایی پیمایش مسافت‌های بسیار طولانی‌تر با یک بار شارژ را به ارمغان می‌آورد. با این حال، یک مشکل سرسخت مانع همه‌گیر شدن این باتری‌ها شده است: ساختارهای بسیار ریزی به نام «دندریت» (Dendrites) که می‌توانند باتری را از درون نابود کنند.

اکنون، محققان «مؤسسه ماکس پلانک برای مواد پایدار» (MPI-SusMat) دقیقاً کشف کرده‌اند که این نقص‌های میکروسکوپی چگونه باعث خرابی باتری می‌شوند. یافته‌های آن‌ها که در نشریه نیچر (Nature) منتشر شده است، بینش جدیدی را درباره یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش روی نسل آینده ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهد.

برخلاف باتری‌های لیتیوم-یونی مرسوم که برای حرکت دادن یون‌ها بین الکترودها به یک الکترولیت مایع متکی هستند، باتری‌های حالت جامد از یک الکترولیت سرامیکی جامد استفاده می‌کنند. حذف بخش مایع، چندین مزیت به همراه دارد. طراحی‌های حالت جامد پتانسیل این را دارند که انرژی بیشتری را در همان مقدار فضای مشابه ذخیره کنند، خطرات آتش‌سوزی را کاهش دهند و برای مدت طولانی‌تری کارایی خود را حفظ نمایند.

این فناوری توجه گسترده خودروسازان و تولیدکنندگان لوازم الکترونیکی را به خود جلب کرده است، زیرا می‌تواند عملکرد باتری را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. از نظر تئوری، گوشی‌های هوشمند می‌توانند تا چند روز بدون شارژ کار کنند، در حالی که خودروهای برقی می‌توانند به مسافت پیمایشی تا سه برابر مدل‌های فعلی دست یابند.

چرا لیتیومِ نرم می‌تواند سرامیکِ سخت را بشکند؟

با وجود این مزایا، باتری‌های حالت جامد با یک نقطه ضعف غافلگیرکننده روبه‌رو هستند. در طول فرآیند شارژ، دندریت‌های سوزنی‌شکل می‌توانند از سمت آند لیتیومی رشد کرده و به داخل الکترولیت جامد نفوذ کنند. اگر آن‌ها به الکترود مقابل برسند، یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد می‌کنند که می‌تواند به سرعت باتری را از کار بیندازد.

آنچه دانشمندان را سردرگم کرده، این است که چگونه لیتیوم که یک فلز نرم است، می‌تواند به درون یک ماده سرامیکی که به مراتب سخت‌تر و صلب‌تر است نفوذ کرده و آن را دچار شکستگی کند.

دکتر یووی ژانگ (Dr. Yuwei Zhang)، نویسنده اصلی این مطالعه و سرپرست گروه «شیمی-مکانیک مواد باتری» در MPI-SusMat می‌گوید:

اگرچه الکترودها و دندریت‌های در حال شکل‌گیری از فلز لیتیوم ساخته شده‌اند که مثل پاستیل نرم است، اما این دندریت‌ها قادرند به داخل الکترولیت سرامیکی نفوذ کرده و منجر به اتصال کوتاه شوند.

او در ادامه می‌افزاید:

چگونه دندریت‌های نرم می‌توانند سرامیک جامد و سخت را بشکنند؟ دو فرضیه وجود دارد: یا تنش داخلی در داخل دندریت‌ها ایجاد می‌شود و باعث شکست مکانیکی الکترولیت جامد می‌گردد، یا اینکه الکترون‌ها از مرزهای دانه‌ای الکترولیت جامد نشت می‌کنند و باعث تشکیل هسته‌های لیتیومی می‌شوند که بعداً به یکدیگر متصل می‌گردند.

محققان برای تعیین اینکه کدام توضیح درست است، یک روش آزمایشگاهی گسترده را توسعه دادند که به آن‌ها اجازه می‌داد مواد را در محیط خلاء و در دماهای بسیار پایین (برودتی) مطالعه کنند. این شرایط مانع از آلودگی مواد توسط اکسیژن و رطوبت می‌شد و در عین حال، اثرات ناخواسته ناشی از میکروسکوپ الکترونی را به حداقل می‌رساند.

فاش شدن سازوکار خرابی باتری

این تیم دندریت‌های لیتیومیِ به دام افتاده در ترک‌های الکترولیت سرامیکی را به دقت بررسی کردند. اندازه‌گیری‌های آن‌ها هیچ مدرکی نشان نداد که لیتیوم در جلوی نوک دندریتِ در حال پیشروی در حال تجمع باشد؛ یافته‌ای که فرضیه دوم را تضعیف می‌کند.

در عوض، نتایج به تجمع فشار در داخل خود دندریت اشاره داشت.

ژانگ گفت:

فلز نرم لیتیوم قادر است به درون الکترولیت سرامیکی سخت نفوذ کند، درست مانند یک جت آب مداوم که در سنگ نفوذ می‌کند. ما محاسبه کردیم که تنش هیدروستاتیک در دندریت، در نهایت منجر به شکست ترد (ترک خوردن ناگهانی) الکترولیت جامد می‌شود.

این نتایج بیشتر توسط شبیه‌سازی‌های میدان فازی و اندازه‌گیری‌های پراش پس‌پراکنش الکترونی پشتیبانی شدند.

این تیم با درک بهتر نحوه رخ دادن ترک‌های ناشی از دندریت، اکنون در حال بررسی راه‌هایی برای متوقف کردن آن است. راه‌حل‌های بالقوه شامل مواردی چون مقاوم‌تر کردن الکترولیت جامد در برابر ترک خوردن، ایجاد حفره‌های میکروسکوپی برای تغییر مسیر رشد دندریت و کاهش گسترش ترک، و همچنین اعمال پوشش‌های محافظ روی الکترودهای لیتیومی برای محدود کردن تشکیل دندریت می‌شود.

محققان می‌گویند این پژوهش، اهمیت درک چگونگی رفتار مواد در بنیادی‌ترین سطح را هنگام توسعه فناوری‌ها برای کاربردهای واقعی به تصویر می‌کشد.

منبع: Scitechdaily